(57)【要約】  デジタル式にアドレス指定可能な多色マイクロピクセルの空間アレイからなる放出性量子フォトニックイメージャ装置。各ピクセルは、モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードを含む放出性マイクロ光キャビティである。各々の色調整可能なピクセルダイオードによって生成される光は、直接、またはピクセルダイオードから生成される光を抽出してコリメートする複数の鉛直導波路を介して、イメージャの平面に垂直に放出される。各ピクセルダイオードは、ピクセルがモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードに関連するどのような色でも、各色に対して任意のオン／オフデューティサイクルで放出できるように、個別にアドレス指定可能である。個々のピクセルは、それぞれの色調整可能なダイオードの駆動電流および／またはオン／オフデューティサイクルを制御することによって必要な色および明るさ値を変調する。ピクセルレベルのマイクロ光学系は、マイクロピクセルから放出された光をさらにコリメートして方向を変調する。【選択図】図２Ａ
2021523399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル式にアドレス指定可能な多色マイクロピクセルのアレイであって、各ピクセル構造が、単一のフォトニック層を含む放出性でモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造を有する、アレイ
を含む固体イメージャであって、
前記マイクロピクセルのそれぞれの色および明るさ値は、それぞれの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造の固有のキャリア注入の駆動電流レベルおよび／またはオン／オフデューティサイクルを制御することによって変調され、
各マイクロピクセルは、前記ピクセルが、それぞれのモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造に関連するユーザ規定の色のセットを、放出される色に対するユーザ規定の明るさまたは所定のオン／オフデューティサイクルで放出できるように個別にアドレス指定可能であり、
各々の前記マイクロピクセルダイオードまたは構造は、一様にアドレス指定可能な電気接点および共通の金属接点を有し、前記共通の金属接点は、ピクセルの全アレイまたは複数のアレイどうしで共通される、
固体イメージャ。
【請求項２】
各マイクロピクセル構造は、前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造を有するマイクロ光キャビティを有し、
前記マイクロピクセルが生成する前記光は、前記固体イメージャの平面に対して垂直に放出され、
前記マイクロピクセルが生成する前記光は、前記ピクセルから生成される前記光を抽出してコリメートするように構成された複数の鉛直導波路を介してイメージャの平面に対して垂直に放出され、
前記マイクロピクセル構造はさらに、前記マイクロピクセルから放出された前記光をさらにコリメートして方向変調するように構成されたピクセルレベルのマイクロ光学要素を含む、
請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項３】
前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な発光ダイオードまたは構造は、絶縁性半導体材料と反射性金属クラッドとからなる側壁で光学的かつ電気的に隔てられ、
前記ピクセルの金属接点は、反射性であり、ピクセルの光学マイクロキャビティを画定する前記ピクセルの反射性側壁と一緒にあり、
前記ピクセルの側壁の反射性金属クラッドは、前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な発光ダイオードまたは構造に駆動電流を経路指定する電気相互接続部として使用される、
請求項２に記載の固体イメージャ。
【請求項４】
前記イメージャは、電気信号を経路指定して生成する駆動論理回路を制御するように電気結合され、前記電気信号は、前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造の発光を個別に制御し、
前記制御駆動論理回路は、請求項１に記載の前記ピクセルのアレイに接合される制御駆動論理アレイを規定する複数の制御駆動論理からなり、
前記ピクセルアレイおよびそれに関連する制御駆動論理アレイは両方とも、前記イメージャの光開口部のエッジ内にあり、
前記イメージャの制御駆動論理回路の外部電気インターフェースは、前記制御駆動論理回路の背面にシリコン貫通電極アレイとして作製される、
請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項５】
放出性でモノリシックの色調整可能なピクセルの前記アレイは、前記ピクセルの上面から実質的にランベルト光を直接放出するか、あるいは前記複数の導波路から準ランベルト光を放出するように構成され、
前記ピクセルの準ランベルト発光パラメータは、前記ピクセルの放出開口部全体にわたる前記ピクセルの複数の導波路の深さ、直径およびパターンを設定することによって記載され、
前記ピクセルの放出開口部全体にわたる前記ピクセルの複数の導波路の深さ、直径およびパターンは、前記ピクセルからの発光をコリメートするように設定される、
請求項２に記載の固体イメージャ。
【請求項６】
前記ピクセルからの発光をさらにコリメートするか方向変調するように構成された開口部のマイクロ光学要素またはレンズをさらに備え、
前記マイクロピクセル開口部のマイクロ光学要素またはレンズの方向変調は、前記ピクセルのアレイ発光をテレセントリックか非テレセントリックいずれかの発光パターンにさらに構成するように設定される
請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項７】
フォトニック発光半導体構造およびデジタル半導体構造をさらに有し、前記フォトニック発光半導体構造は、複数の放出性の色調整可能な半導体発光マイクロピクセルからなり、前記デジタル半導体構造は、前記フォトニック半導体構造の前記複数のマイクロピクセルに電力および制御信号を提供するように構成されたデジタル駆動論理回路からなり、前記デジタル半導体構造は、電気駆動信号を前記ピクセルアレイの前記個々のピクセルに結合する上接触層と、前記外部電気駆動信号を前記固体イメージャに結合する背面接触層とを有する、請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項８】
前記フォトニック発光半導体層および前記デジタル半導体構造は、接合層を介して一つに接合され、前記イメージャの前記放出性の上側は、前記イメージャに接合された透明のカバー層で閉じ込められる、請求項７に記載の固体イメージャ。
【請求項９】
前記デジタル半導体構造の表面積は、前記放出性ピクセルアレイの面積よりも表面積が大きい、請求項７に記載の固体イメージャ。
【請求項１０】
前記フォトニック発光半導体層の表面積は、前記デジタル半導体構造の表面積と実質的に等しく、外部電気信号を前記イメージャに接合するために前記イメージャの背面に配置されたマイクロボールグリッドアレイを有する、請求項７に記載の固体イメージャ。
【請求項１１】
前記フォトニック発光半導体層の表面積は、前記デジタル半導体構造の表面積と実質的に等しく、シリコン貫通電極のアレイを有して、前記イメージャ外部電気駆動信号を前記マイクロボールグリッドアレイから前記デジタル半導体構造のシリコン貫通電極アレイに結合する、請求項１０に記載の固体イメージャ。
【請求項１２】
前記ピクセルのピッチは、５ミクロン以上である、請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項１３】
固体イメージャの製造方法であって、
デジタル式にアドレス指定可能な多色マイクロピクセルのアレイであって、各ピクセルが、単一のフォトニック層を含むモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造を有する放出性マイクロ光キャビティを有する、アレイを含む第１のウエハ製造をする工程であって、
前記ピクセルのそれぞれの色および明るさ値は、それぞれの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造の固有のキャリア注入の駆動電流レベルおよび／またはオン／オフデューティサイクルを制御することによって変調される、工程、
少なくとも１つのデジタル駆動論理回路を別の第２のウエハ上に有するデジタル半導体構造を製造する工程、
前記第１のウエハを前記第２のウエハに接合して前記色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造を前記デジタル駆動論理回路に電気結合する工程
を含む、方法。
【請求項１４】
前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードは、エピタキシャル成長させた複数の層を含むＩＩＩ−Ｖ材料構造からなり、逆ドープした２つの周囲領域の間に挟まれた光学活性領域を含む単一の接合ダイオードを形成し、
前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオード光学活性領域は、さらに複数の光学活性サブ領域からなり、
前記複数の光学活性サブ領域は、各々が、２つのバリア層の間に挟まれた量子閉じ込め層を含む少なくとも１つの量子閉じ込め構造からなり、
前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオード光学活性領域はさらに、複数の固有のキャリア中間遮断層を含み、
前記複数の電化キャリア中間遮断層は、前記光学活性サブ領域どうしの間に挟まれる、
請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項１５】
前記中間遮断層はそれぞれ、少なくとも前記活性領域の前記固有のバンドギャップおよび前記ダイオード接合部をドープした周囲領域の前記バンドギャップよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、請求項１４に記載の固体イメージャ。
【請求項１６】
前記中間遮断層はそれぞれ、前記光学活性領域内の位置に応じて値が異なる材料組成に影響されるバンドギャップを有する、請求項１４に記載の固体イメージャ。
【請求項１７】
前記中間遮断層はそれぞれ、ドーピングレベルおよびドーピング極性に影響される前記光学活性領域の前記固有のバンドギャップに対してバンドギャップオフセットを有し、
中間遮断層は、ドープされて正になる（Ｐドープ）のであって、ドープされないまたはドープされて負になる（Ｎドープ）のではなく、
各々の前記中間遮断層バンドギャップは、前記光学活性領域の前記固有のバンドギャップに対して、設定したドーピングレベルおよびドーピング極性に比例して前記伝導帯か前記価電子帯いずれかの方へずれ、
前記中間遮断層のバンドギャップおよびバンドギャップオフセットのレベルは、前記複数の活性サブ領域どうしで指定の固有のキャリア注入分布プロファイルに影響を与えるために前記複数の中間遮断層どうしで別々に設定される、
請求項１４に記載の固体イメージャ。
【請求項１８】
前記中間遮断層は、前記複数の活性サブ領域どうしで指定の電流依存性の（選択的）電荷キャリア注入分布プロファイルを可能にし、それによってそれに応じて指定の電流依存性の発光強度分布プロファイルを前記複数の光学活性サブ領域から可能にするようにユーザが設定したバンドギャップエネルギーおよびバンドギャップオフセットレベルを有する、請求項１４に記載の固体イメージャ。
【請求項１９】
前記中間遮断層の前記ユーザが設定したバンドギャップエネルギーおよびバンドギャップオフセットレベルは、続いて、前記複数の活性サブ領域の前記発光強度の加重和である、前記光学活性領域からユーザが設定した電流依存性の発光強度を可能にし、
各重み係数は、そのそれぞれの光学活性サブ領域と前記光学活性領域全体の合計発光強度との発光強度比を表し、
各々の前記重み係数の値は、前記中間遮断層バンドギャップおよびバンドギャップオフセットレベルを特別に設定する行為によって電流に依存し、前記複数の電流依存性の重み係数が前記光学活性領域から電流依存性の発光強度を生み出すことを可能にする、
請求項１８に記載の固体イメージャ。
【請求項２０】
各光学活性サブ領域の前記量子閉じ込め層の前記バンドギャップはいずれも等しいが、前記複数の活性サブ領域のバンドギャップは、前記活性領域の各々の前記複数の活性サブ領域から異なる発光波長が可能になるように各々が異なるバンドギャップ値を有し、
前記複数の活性サブ領域の発光強度の前記電流依存性の加重和の行為により、前記複数の活性サブ領域からの異なる波長発光に比例して電流依存性の加重和は、それに応じて電流依存性の前記活性領域発光からの発光の色度（色）を生み出す、
請求項１９に記載の固体イメージャ。
【請求項２１】
前記中間遮断層バンドギャップおよびバンドギャップオフセット値を前記ユーザが設定する行為によって可能になる、前記電流依存性の発光強度および色度は、前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードからそれに応じて電流依存性の発光スペクトル軌跡を生み出し、
低電流注入レベルでは、前記ダイオードのＰドープ側に隣接する前記光学活性サブ領域に対応する前記電流依存性の重み係数に対応する前記光強度および色度が前記ダイオード発光を支配し、
高電流注入レベルでは、前記ダイオードのＮドープ側に隣接する前記光学活性サブ領域に対応する前記電流依存性の重み係数に対応する前記光強度および色度が前記ダイオード発光を支配し、
電流注入レベルの中間範囲では、前記ダイオードの前記中間活性領域の光学活性サブ領域に対応する前記電流依存性の重み係数に対応する前記光強度および色度が前記ダイオード発光を支配し、
低レベルから高レベルまでの範囲にわたる電流注入レベルは、前記複数のサブ活性領域の前記それぞれの電流依存性の重み係数に体系的に対応し、前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードの前記光学活性領域のスペクトル軌跡の発光にわたって発光強度および色度を可能にする、
請求項１９または２０に記載の固体イメージャ。
【請求項２２】
前記色座標の頂点全体にわたって広がる前記スペクトル色域に及ぶ（カバーする）前記ダイオードの前記電流依存性のスペクトル軌跡の発光を可能にする、前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードの前記光学活性領域の前記電流依存性のスペクトル軌跡の発光は、そのそれぞれの活性サブ領域の前記発光波長に対応し、
ダイオード活性領域の各々の前記活性サブ領域内の設計によって含まれる前記量子閉じ込め構造の数を設定することで、ユーザ指定の電流依存性の発光色域を完全にカバーすることが可能になる、
請求項２１に記載の固体イメージャ。
【請求項２３】
前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードの材料システムは、ユーザ指定の電流依存性発光が可視光スペクトル内の色域スペクトル範囲を有することが可能なように設定され、前記材料システムは、ＩｎＧａＡｌＮであり、
前記可視スペクトル発光色域は、ＮＴＳＣ、ＨＤ−ＴＶまたは拡張色域ディスプレイなどのディスプレイシステムで使用される、
請求項１４に記載の固体イメージャ。
【請求項２４】
各ピクセル構造は、前記モノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードを有し、各ピクセルは、指定した色および明るさの変調期間内で色および明るさの電気制御信号を各ピクセルに周期的に提供するデジタル駆動論理回路に接続され、
前記色および明るさの電気制御信号は、連続波形信号として前記変調期間内に各ピクセルに提供され、
前記色および明るさの電気制御信号は、パルス波形信号のシーケンスとして前記変調期間内に各ピクセルに提供され、
連続時間であろうとパルス時間であろうと、前記色および明るさの制御信号は、前記電圧（または同じことだが前記電流）レベルを指定し、そのレベルで、前記ピクセルが前記変調期間中に駆動されてその期間中に前記ピクセルのダイオードスペクトル軌跡に沿って設定した色および明るさの前記ピクセル発光に影響を与える、
請求項１４に記載の固体イメージャ。
【請求項２５】
指定した明るさでの前記多色ピクセルの前記ピクセルのスペクトル軌跡によって画定される色域内側の色点の変調は、前記ピクセルの変調期間の継続時間内に複数のパルス信号を用いて前記デジタル式にアドレス指定可能な多色ピクセルを駆動することによって可能になり、
前記ピクセルの変調期間の継続時間内の各々の前記複数のパルス信号は、複数の前記電圧（または同じことだが前記電流）レベルを用いて変調され、各レベルが、ピクセルのスペクトル軌跡の位置の指定されたセットに対応する、
請求項２４に記載の固体イメージャ。
【請求項２６】
前記ピクセルの変調期間内に前記パルス信号を駆動するために使用する前記複数の電圧レベルは、前記ピクセルのダイオードそれぞれの光学活性サブ領域の前記発光波長によって画定される前記ピクセルの色域色座標の頂点の前記ピクセルのスペクトル軌跡の位置に対応する、請求項２５に記載の固体イメージャ。
【請求項２７】
前記ピクセルの変調期間内に前記パルス信号を駆動するために使用する前記複数の電圧レベルの設定は、前記ピクセルのそれぞれの光学活性サブ領域の前記発光波長の少なくとも１つに対応する、請求項２６に記載の固体イメージャ。
【請求項２８】
前記ピクセルの変調期間内に前記パルス信号を駆動するために使用する前記複数の電圧レベルは、前記ピクセルの色域全体にわたるスペクトルコードを画定する前記ピクセルのスペクトル軌跡の位置の少なくとも２つに対応する、請求項２５に記載の固体イメージャ。
【請求項２９】
前記ピクセルの指定した明るさレベルの変調が前記変調期間内に、ピクセルのスペクトル軌跡の位置に対応する前記指定した電圧レベルによって規定される前記色度で可能になるように、前記複数のパルス信号は、指定ピクセルのスペクトル軌跡の位置に対応する指定電圧レベルで、前記ピクセルの変調期間内に指定デューティサイクルで何度も変調される、請求項２５〜２８のいずれか一項に記載の固体イメージャ。
【請求項３０】
指定したディスプレイ白色点の色度の変調が前記変調期間内に、前記ピクセルの発光の指定した明るさレベルで可能になるように、前記複数のパルス信号は、各々が、指定したピクセルのスペクトル軌跡の位置に対応する、指定電圧レベルで、前記ピクセルの変調期間内に指定デューティサイクルで何度も変調される、請求項２９に記載の固体イメージャ。
【請求項３１】
前記ディスプレイ白色点のデューティサイクルは、前記変調期間内に前記ピクセルの指定した色度および明るさの変調が可能になるように前記変調デューティサイクルのスケール係数として使用され、前記係数は、前記指定したディスプレイ白色点の色度および明るさレベルに相応する、請求項３０に記載の固体イメージャ。
【請求項３２】
前記ディスプレイ白色点をスケーリングしたピクセル変調のデューティ係数は、各々が前記ピクセルの変調期間内に前記ピクセルの指定した色度および明るさの変調が可能になるように使用され、前記係数は、前記指定したディスプレイ白色点の色度および明るさレベルに相応する、請求項３１に記載の固体イメージャ。
【請求項３３】
前記ピクセルのスペクトル軌跡によって形成された前記色域内側に位置する指定色度座標を有する標的のピクセルの指定色度は、前記複数のパルス電圧信号を前記ピクセル変調期間内にディスプレイ白色点をスケーリングした変調デューティ係数値で経時的に多重化することによって変調され、その後さらに、そのデューティ係数は、前記標的のピクセルの指定色度座標からの色度の隔たりの相対比によってスケーリングされる、請求項３２に記載の固体イメージャ。
【請求項３４】
前記標的のピクセルの指定した明るさは、前記ピクセル変調期間内に経時的に多重化した複数のパルス電圧信号の前記デューティ係数を、前記標的のピクセルの前記指定した明るさ値と前記ディスプレイ白色点のデューティ係数の前記対応する明るさ値との比でさらにスケーリングすることによって変調される、請求項３３に記載の固体イメージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年４月３０日に出願された米国仮出願第６２／６６４，７１４号の利益を主張するものであり、同文献の開示を参照して本願に援用する。
【０００２】
本開示は、デジタル表示システムにおいて画像源として使用できるモノリシック半導体多色固体マイクロピクセル発光体のアレイを有する放出性光変調装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
モバイルデジタルメディアの出現により、モバイル装置とそのユーザとの間に主要なインターフェースを提供するデジタルディスプレイに対して多大な需要が生まれた。モバイル型スマートフォンなどのモバイル装置で使用される直視型ディスプレイにあらゆる場面で依存しているため、ディスプレイの明るさを増し、消費電力を削減し、ディスプレイの解像度をいっそう高めることに対する需要が生じている。スマートウォッチならびにニアアイ型の拡張現実および仮想現実（ＡＲ／ＶＲ）装置などの新生のウェアラブルモバイル装置により、ディスプレイ解像度の向上と消費電力の削減を兼ね備えていることに対する需要がさらに高まってきている。
【０００４】
低温ポリシリコン液晶ディスプレイ（ＬＴＰＳ−ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、レーザービームスキャン（ＬＢＳ）、量子ドット（ＱＤＤ）、およびマイクロＬＥＤ（ＭＬＥＤ）など、いくつかの表示技術が上記の需要に対処しようと試みている。しかしながら、これらの技術のそれぞれに特定の限界があり、新生のモバイルデジタルメディア装置の厳しくかつ矛盾することの多い需要を満たす最適なディスプレイにすることが阻まれている。
【０００５】
例えば、（１）ＬＴＰＳ−ＬＣＤは、現在のＬＣＤディスプレイよりも高い解像度を実現しているが、この技術は、依然として明るさが弱く、ＬＣＤに特有の高消費電力という問題を抱えている。（２）ＯＬＥＤは、高いディスプレイ解像度を実現する可能性があるが、その明るさは特に昼光の用途に対してはわずかである。（３）ＬＢＳは、最高／平均の明るさがレーザの安全限界を超えると目の安全に問題がある。（４）ＱＤＤは、単なる代替カラーフィルタ技術であるため、ＬＣＤと同じ限界がある。そして（５）ＭＬＥＤは、解像度を限定する空間での色の多重化問題を抱えている。
【０００６】
本開示の分野で特に興味深いのは、「量子フォトニックイメージャ」ディスプレイと称するディスプレイである（「ＱＰＩ（登録商標）イメージャ」、ＱＰＩは、Ｏｓｔｅｎｄｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．の登録商標。米国特許第７，６２３，５６０号、同第７，７６７，４７９号および同第７，８２９，９０２号を参照）。マイクロスケールのピクセルおよびＱＰＩイメージャの電力効率により、新生のデジタルモバイルメディア装置にまつわる高解像度および低電力消費の関心に対処できる。ＱＰＩイメージャの市場潜在力を確保するために、ＱＰＩイメージャの製造コストを削減することが有益である。現在のＱＰＩイメージャの製造に使用される固体発光（フォトニック）材料のコストは過去５年間で大幅に低下したが、このようなフォトニック材料のコストは依然として現在のＱＰＩイメージャの製造全体の材料仕様書（「ＢＯＭ」）の大部分を占めているため、そのようなコストをさらに削減できればＱＰＩイメージャの今後の市場潜在力はより確実になる。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１６／０３５９３００号、「Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｆｕｌｌ−Ｃｏｌｏｒ  ＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ＬＥＤ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｂｌｏｃｋｉｎｇ  Ｌａｙｅｒｓ」，Ｈ．Ｓ．Ｅｌ−Ｇｈｏｒｏｕｒｙ  ｅｔ  ａｌ．，ＡＩＰ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ６，０７５３１６  （２０１６）、および「Ｔｈｅ  Ｗｏｒｌｄ  Ｆｉｒｓｔ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｆｕｌｌ−Ｃｏｌｏｒ  ＬＥＤ」，Ｊ−Ｃ  Ｃｈｉｎ  ｅｔ  ａｌ．Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ｖｏｌ．２２，Ｉｓｓｕｅ  ８，Ｎｏｖ−Ｄｅｃ  ２０１６には、先行技術による多色固体発光モノリシックＩＩＩ−Ｖ材料が記載されており、発光色を有する構造は、電荷キャリア注入電流レベルによって制御できる。この種の多色固体発光モノリシックＩＩＩ−Ｖ材料をＱＰＩイメージャのフォトニック材料として使用することは、ＱＰＩイメージャのフォトニック材料および製造コストを削減する機会となる。このようなコスト削減は、別々に接合した３つのフォトニック層がそれぞれ異なる色を放出するという現在のＱＰＩイメージャで使用されているものに代わって、多色固体発光モノリシックＩＩＩ−Ｖ材料のフォトニック層を１つしか必要としないことに起因する。
【０００８】
また、ＱＰＩイメージャの各ピクセルを制御するのに必要な電気接点の数を減らすことによって、この種の多色固体発光モノリシックＩＩＩ−Ｖ材料をフォトニック材料として使用することがＱＰＩイメージャのピクセルのサイズをさらに縮小する機会となり、それによって解像度が増す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国仮出願第６２／６６４，７１４号
【特許文献２】米国特許第７，６２３，５６０号
【特許文献３】米国特許第７，７６７，４７９号
【特許文献４】米国特許第７，８２９，９０２号
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１６／０３５９３００号
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１７／０１８４７７６号
【特許文献７】米国特許第８，０９８，２６５号
【特許文献８】米国特許第９，５２４，６８２号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】“Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｆｕｌｌ−Ｃｏｌｏｒ  ＧａＮ−ｂａｓｅｄ  ＬＥＤ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｂｌｏｃｋｉｎｇ  Ｌａｙｅｒｓ”，Ｈ．Ｓ．Ｅｌ−Ｇｈｏｒｏｕｒｙ  ｅｔ  ａｌ．，ＡＩＰ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ６，０７５３１６（２０１６）
【非特許文献２】“Ｔｈｅ  Ｗｏｒｌｄ  Ｆｉｒｓｔ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｆｕｌｌ−Ｃｏｌｏｒ  ＬＥＤ”，Ｊ−Ｃ  Ｃｈｉｎ  ｅｔ  ａｌ．Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ｖｏｌ  ２２，Ｉｓｓｕｅ  ８，Ｎｏｖ−Ｄｅｃ  ２０１６
【発明の概要】
【００１１】
したがって、本開示の一態様は、調整可能な多色固体発光モノリシックＩＩＩ−Ｖ材料を使用してこの材料がもたらし得る多くの利点を利用するＱＰＩイメージャの装置ならびにその動作、製造および適用の方法を開示することである。本開示の追加の態様および利点は、添付の図面を参照して進む本開示の様々な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
本開示は、添付の図面に例として示すものであって限定的なものではない。図面では同類の符号は同様の要素を指している。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】各ピクセルに３つの別々の発光層を使用してマイクロピクセル原色を生み出す、先行技術による量子フォトニックイメージャ装置を示す図である。
【図２Ａ】単一の色調整可能な発光層を使用してマイクロピクセルのアドレス指定可能な色を生成する、本開示のモノリシック量子フォトニックイメージャ装置の平面図である。
【図２Ｂ】装置側面のエッジまでいきわたるマイクロピクセルアレイを有する本開示のモノリシック量子フォトニックイメージャ装置の等角図である。
【図２Ｃ】本開示のモノリシック量子フォトニックイメージャ装置を構成している色調整可能な多色ピクセルの切り取り等角図および色調整可能なピクセルの断面層の図である。
【図２Ｄ】マイクロピクセルの発光をコリメートするための複数の導波路を組み入れた本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置の単一のマイクロピクセルの発光面の平面図である。
【図２Ｅ】マイクロピクセルからの実質的なランベルト発光を有する本開示の色調整可能な多色モノリシック量子フォトニックイメージャ装置の単一のマイクロピクセルの平面図である。
【図２Ｆ】マイクロピクセルからの準ランベルト発光を有する本開示の色調整可能な多色モノリシック量子フォトニックイメージャ装置の単一のマイクロピクセルの断面図である。
【図２Ｇ】マイクロピクセルの発光をコリメートして方向調整するためのピクセルレベルのマイクロ光学要素を組み込んだ、本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置を構成しているマイクロピクセルの断面図である。
【図３Ａ】本開示の色調整可能な多色モノリシック量子フォトニックイメージャ装置のフォトニック構造を構成しているヘテロ接合多層量子閉じ込め系発光ダイオード構造を例示しているエネルギーバンドプロファイルの図である。
【図３Ｂ】青色発光領域内の電流注入を制御した発光力とそれに関連する色域スペクトル軌跡とのバランスをとる手段を組み入れている、本開示の色調整可能な多色モノリシック量子フォトニックイメージャ装置のフォトニック構造を構成しているヘテロ接合多層量子閉じ込め系発光ダイオード構造を例示しているエネルギーバンドプロファイルの図である。
【図３Ｃ】赤色発光領域内の電流注入を制御した発光力とそれに関連する色域スペクトル軌跡とのバランスをとる手段を組み入れている、本開示の色調整可能な多色モノリシック量子フォトニックイメージャ装置のフォトニック構造を構成しているヘテロ接合多層量子閉じ込め系発光ダイオード構造を例示しているエネルギーバンドプロファイルの図である。
【図３Ｄ】本開示の色調整可能な多色モノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルを形成する半導体フォトニック構造の断面図である。
【図３Ｅ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルを形成する半導体フォトニック構造の活性層の相対発光力を示す図である。
【図３Ｆ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルを形成する半導体フォトニック構造の例示的なエピタキシャル設計のＣＩＥ色域を示す図である。
【図３Ｇ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルを形成する半導体フォトニック構造の例示的なエピタキシャル設計の測定後のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを示す図である。
【図３Ｈ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルを形成する半導体フォトニック構造の例示的なエピタキシャル設計の測定後のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示す図である。
【図４Ａ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のデジタル半導体構造の断面図である。
【図４Ｂ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のデジタル半導体構造の機能ブロック図である。
【図４Ｃ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置の全体的背景の中の処理論理の機能ブロック図である。
【図４Ｄ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルドライバの第１の実施形態の機能ブロック図である。
【図４Ｅ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルドライバの第２の実施形態の機能ブロック図である。
【図４Ｆ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルドライバの第３の実施形態の機能ブロック図である。
【図４Ｇ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルドライバの実施形態によって可能になったピクセル変調信号の図である。
【図４Ｈ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルドライバの実施形態によって可能になったピクセル変調信号の図である。
【図４Ｉ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセル変調駆動回路の図である。
【図４Ｊ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルドライバの実施形態によって可能になったピクセル変調信号の図である。
【図５】デジタル構造のアレイのレイアウト領域がピクセルアレイ領域と一致している、本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置の実施形態の図である。
【図６Ａ】原色を変調するために使用する本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルのピクセルスペクトル軌跡に沿った複数の候補となる色点の一例を示す図である。
【図６Ｂ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルの駆動電圧に比例した明るさを示す図である。
【図６Ｃ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルの色域内側にある任意の色点を、ピクセルのスペクトル色域ＲＧＢのコーナーの色度座標に対して変調するための実施形態を示す図である。
【図６Ｄ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルの色域内側にある任意の色点を、ピクセルのスペクトル色域ＲＧＢのコーナーの色度座標に対して変調するための代替実施形態を示す図である。
【図６Ｅ】本開示の色調整可能なモノリシック量子フォトニックイメージャ装置のピクセルの色域内側にある任意の色点を、ピクセルのスペクトル色域のＲＧＢのコーナーの色度座標に対して変調するためのさらに別の代替実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示の以下の詳細な説明で「１つの実施形態」または「一実施形態」と記載している場合、実施形態に関連付けて記載した特定の特徴、構造、または特性が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。この詳細な説明の様々な箇所で「１つの実施形態において」という句が出てきた場合、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではない。
【００１５】
図１は、各ピクセル１００に３つの別々の接合発光層を使用してピクセル１００からマイクロピクセルの原色を生み出す先行技術の量子フォトニックイメージャ装置１を示している。
【００１６】
本明細書では、モノリシックの多色放出性イメージャを開示する。以下の記載では、説明することを目的に、本開示を理解してもらうために多くの特定の詳細を記載している。ただし、本開示をこれとは異なる特定の詳細で実施できることは半導体の当業者には自明であろう。他の例では、本開示が不明瞭になるのを避けるために、構造および装置をブロック図の形態で示すことがある。
【００１７】
モノリシックＱＰＩイメージャのアーキテクチャ
本明細書に記載している図２Ａおよび図２Ｂの本開示の放出性多色デジタル画像イメージャは、「モノリシック量子フォトニックイメージャ」装置または略して「Ｍ−ＱＰＩ」イメージャ２００と称し、モノリシックの色調整可能な固体発光フォトニック構造のアレイを含む半導体装置であり、本明細書ではこの構造をピクセルまたはマイクロピクセル２１０とも称する。本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００は、複数の放出性マイクロピクセル２１０からなり、各ピクセル２１０は、電気的に色調整可能な固体発光ダイオードを含む。放出性ピクセル２−Ｄアレイの放出性で色調整可能なマイクロピクセル２１０によって画定される表面積は、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の放出性光開口部を構成する。
【００１８】
以下にさらに詳細に説明するように、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２１０は通常、寸法がピクセルピッチで、５ミクロンの範囲内（または用いられる半導体接合技術に応じてそれよりも小さい）または意図する用途の要求に応じてそれよりも広い範囲内であるマイクロスケールの多色固体発光体である。複数のピクセル２１０の色調整可能な固体発光ダイオードの各々は、絶縁性半導体材料と反射性金属クラッドとからなる側壁で光学的かつ電気的に隔てられている。複数のピクセル２１０の色調整可能な固体発光ダイオードの各々は、一様にアドレス指定可能な接点および共通の金属接点を有し、これらの共通の金属接点は、ピクセル２１０の全アレイまたは複数のアレイの間で共有される。両方の金属接点が光学的に反射することが好ましい。ピクセル側壁の反射性金属クラッドは、ピクセルの反射接点とともに、対応するＭ−ＱＰＩイメージャ２００のマイクロピクセル２１０の光キャビティを形成する。
【００１９】
各ピクセル２１０の多色光は、光開口部表面の平面を直接通るか、あるいはピクセル２１０の光キャビティに光学結合している複数の鉛直導波路を通って、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の光開口部の表面に対して垂直に放出される。Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセルの側壁が光学的および電気的に隔絶する機能に加えて、側壁の金属クラッドは、各ピクセル２１０の構成要素である電気調整可能な多色固体発光ダイオードに電流を流す電気相互接続部として使用される。
【００２０】
Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００を構成している複数のピクセル２１０の各々は、制御論理回路に電気結合され、制御論理回路は、それぞれの多色固体発光ダイオードの色放出を独立して制御する電流信号を経路指定する。複数のＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２１０に関連付けられている駆動論理回路は、多色固体発光ピクセルアレイに接合している駆動論理アレイを形成して、色調整可能なピクセルのモノリシックアレイおよび集積駆動回路を形成する。
【００２１】
図２Ａ〜図２Ｇは、本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００の様々な実施形態を示している。図２Ａは、単一の色調整可能な発光層を使用してマイクロピクセルのアドレス指定可能な色を生成する、本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００の平面図である。
【００２２】
図２Ｂは、イメージャの光開口部のエッジまでいきわたるマイクロピクセルアレイを有する本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００の代替構成の等角図である。図２ＢのＭ−ＱＰＩイメージャ２００のエッジの構成が最小であることで、放出性マイクロピクセルアレイどうしの間の間隙を最小にして複数のＭ−ＱＰＩイメージャ２００をタイル張りすることが可能になる。このような性能により、意図する用途に合うように複数のＭ−ＱＰＩイメージャ２００を使用して、マイクロピクセルアレイのサイズを拡大して全体のピクセル数をより多くすることが可能になる。
【００２３】
図２Ｃは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００を構成しているピクセル２３０の切り取り等角図、およびピクセル２３０を構成している層および側壁２３５の断面図である。
【００２４】
図２Ｄは、複数の光学導波路の開口部２４０からなるピクセル２３０の放出開口部を示す平面図である。
【００２５】
図２Ｅは、ピクセル２３０の放出開口部が、ピクセル上側の接触金属の領域を除いて、実質的にピクセル２３０の上側全体または表面積であることを示す平面図である。図２Ｅに示したように、ピクセル２３０の放出開口部が実質的にピクセルの上側領域全体である場合、ピクセル２３０の発光は実質的にランベルト発光である。
【００２６】
図２Ｆは、色調整可能なＭ−ＱＰＩイメージャ２００の単一のマイクロピクセルの断面図であり、ピクセル２３０の発光はピクセルの上側の導波路２４０を通り、導波路は、マイクロピクセルから準ランベルト発光を生成するようにピクセル２３０の開口部全体にわたって一定の深さ、直径およびパターンを有する。
【００２７】
図２Ｆに関して、ピクセル２３０の開口部全体にわたるピクセル２３０の上側導波路２４０の深さ、直径およびパターンは、ピクセル２３０の発光の角度幅を約１５°〜約４５°の範囲内に調整するように設定され得る。このように、ピクセル２３０の上側導波路２４０の設計パラメータは、ピクセル２３０から放出された光をコリメートするように設定され得る。
【００２８】
ピクセル２３０の発光の角度幅またはコリメーション角度はピクセル２３０の設計パラメータであるため、イメージャの発光のコリメーション角度が重要であるＭ−ＱＰＩイメージャ２００の多くの用途が可能になる。それは例えば、外部の導波路光学系（ニアアイディスプレイでよく用いられるものなど）に結合されているとき、または投影光学系に効果的に光学結合されている場合である。このように放出光をコリメートする性能がなければ、通常のランベルトイメージャから放出された光は、導波路光学系または投影光学系に結合されている場合に無駄にケラレになる。開示したように、放出光をコリメートするＭ−ＱＰＩイメージャ２００の性能により、光学的に効果的に色調整可能なディスプレイになる。
【００２９】
図２Ｇは、色調整可能なＭ−ＱＰＩイメージャ２００の単一のマイクロピクセルの断面図であり、ピクセル２３０の発光は、ピクセル２３０から生成される光を十分にコリメートするためにピクセルの上側導波路２４０を通って結合され、ピクセルは、マイクロ光学要素またはレンズ２０６と開口部が一致している光開口部に結合している。ピクセルレベルのマイクロ光学要素２０６は、マイクロピクセル２３０の発光をさらにコリメートする、または方向変調するように設計されている（米国特許出願公開第２０１７／０１８４７７６号）。ピクセル２３０の上側導波路２４０とピクセルレベルのマイクロ光学要素２０６とを組み合わせることで、イメージャの発光のコリメーション角度および方向性が重要であるＭ−ＱＰＩイメージャ２００の多くの用途が可能になり、例えばライトフィールドディスプレイ、特にニアアイおよびダイレクトビューライトフィールドディスプレイの用途などが可能になる。
【００３０】
図２Ｃに戻ると、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００は、２つの主な半導体構造、すなわちフォトニック発光半導体構造２１０およびデジタル半導体構造２２０からなる。フォトニック発光半導体構造２１０は、複数の放出性で色調整可能な半導体発光マイクロピクセルからなる。デジタル半導体構造２２０は、電力および制御信号をフォトニック半導体構造２１０のピクセル２３０のアレイに供給するデジタル駆動論理回路からなる。半導体構造２１０は、上接触層２０５および背面接触層２１５を有し、両接触層は、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセルアレイの個々のピクセル２３０に電気的な駆動信号を結合する。
【００３１】
半導体構造２１０と２２０とは、ダイレベルの接合、ウエハレベルの接合などのいずれかを用いて接合層２２５を介して一つに接合される。Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の放出性の上側は、透明のカバー層２０４で閉じ込められ、カバー層は、ダイレベルの接合またはウエハレベルの接合のいずれかを用いてイメージャ上側に接合される。Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００を構成している２つの半導体構造２１０および２２０の各々はさらに、多くの半導体層からなる。図２Ａに示したように、１つの実施形態のＭ−ＱＰＩイメージャ２００のデジタル半導体構造２２０は、電力および画像データ信号をＭ−ＱＰＩイメージャ２００に供給するのに通すデジタル構造２２０のエッジの接触パッド２２１を配置して、ワイヤ接合などを用いて外部とインターフェース接続するためにイメージャの上側にアクセスできるように、表面積が放出性ピクセルアレイの面積よりも大きくてよい。
【００３２】
図２Ｂの等角図に示した本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００の別の実施形態では、デジタル構造２２０の面積は、放出性ピクセルアレイの面積の光開口部を超える側部の突起が最小または皆無である放出性ピクセル２３０のアレイの面積とおよそ等しい。この実施形態では、デジタル制御構造２２０のトランジスタ／回路の立体構造は、デジタル構造２２０全体のレイアウト面積が放出性ピクセル２３０のアレイの面積よりも大きくならないように設定される。この場合、イメージャの接点２２２は、イメージャの裏側または後面に配置されてシリコン貫通電極（ＴＳＶ）を用いてデジタル制御構造２２０に接続されたマイクロボールグリッドアレイ（ＭＢＧＡ）として実現されてよい。この実施形態では、放出性ピクセルアレイの光開口部を超えているＭ−ＱＰＩイメージャの総合面積の突起が最小になるか、なくなる。
【００３３】
この実施形態によって実現される利点は、少なくとも：（１）ディスプレイシステムの他の要素と一緒に搭載する場合にＭ−ＱＰＩイメージャ２００の総合体積の局面を最小にすることであり、これは、Ｍ−ＱＰＩイメージャを体積に限界があるモバイル装置に埋め込む場合に特に重要である。そして（２）複数のＭ−ＱＰＩイメージャを一緒に並べてより大きい放出性マイクロピクセルアレイを形成することである。この実施形態のＭ−ＱＰＩイメージャ構成を本明細書では「ゼロエッジ」Ｍ−ＱＰＩイメージャ構成と称する。図２Ｂに示したように、ゼロエッジＭ−ＱＰＩの色調整可能なピクセル２３０の放出性２次元アレイは、装置の上全体または上側表面積を実質的に覆って、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の放出性表面、または光開口部を形成する。
【００３４】
本開示のゼロエッジＭ−ＱＰＩイメージャ２００の１つの実施形態のピクセル２３０の典型的なサイズは、５ｘ５ミクロンの範囲内である。このピクセルサイズでは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の上表面を含む放出開口部の寸法は約６．４ｘ３．６ｍｍであり、これはおよそ２３ｍｍ2で、１２８０ｘ７２０ピクセルのＨＤ解像度となる。ゼロエッジＭ−ＱＰＩイメージャが小サイズで高解像度であることは、ＡＲ／ＶＲディスプレイなどのウェアラブルディスプレイの用途で極めて効果的になる。特に、寸法が小さいことで、ゼロエッジＭ−ＱＰＩ全体をそのようなディスプレイの光学アセンブリの中に突起なしで組み入れて、外観がすっきりした真のウェアラブルディスプレイにすることが可能になる。
【００３５】
図２Ｃは、上記で考察した本開示の２つの実施形態のいずれかのＭ−ＱＰＩイメージャ２００を構成しているピクセル２３０の集合の切り取り等角図である。図２Ｃは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセルのアレイを構成しているピクセル２３０の１つの断面図である。図２Ｃに示したように、各々のピクセル２３０は、隣接するピクセルどうしの間を光学的かつ電気的に分離する側壁２３５を有する。フォトニック半導体発光構造２１０の上接触層２０５に電力信号を供給するのに必要な電気的相互接点は、ピクセルの側壁２３５の中に埋め込まれている。Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００を構成している各々のピクセル２３０からの光は、イメージャ上面の平面に対して垂直な方向（以下、垂直方向という）に、ピクセルの光開口部の上面を直接通るか、複数の垂直導波路２４０（図２Ｄ）を通って放出され、各々の導波路は、ピクセル２３０の光キャビティに光学結合されている。
【００３６】
図２Ｄは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の例示的な実施形態を示し、各々のピクセル２３０からの光は、ユーザが規定してパターン化した光導波路２４０のアレイを通って放出され、各導波路は、対応するピクセル２３０の光キャビティに結合している。導波路２４０は、ピクセル２３０の上接触金属層２０５を介してエッチングされる。各々の導波路２４０の直径およびその特定のアレイパターン２４０、ならびにピクセル２３０の上接触金属層２０５の厚みで、導波路２４０がエッチングされる厚み（すなわち導波路２４０の深さ）は、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０から放出される光のコリメーションの度合いを決定するものである。したがって、本明細書で述べたように、導波路２４０の直径、深さおよびパターンの設計を設定することで、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０から放出される光のコリメーションを、±４５°の準ランベルト発光から±１５°の狭いコリメーション角度までで、所望のものにすることができる。コリメートした光を放出するというＭ−ＱＰＩイメージャ２００の独特の性能により、ウェアラブルディスプレイの用途で最も普及している全内反射（ＴＩＲ）導波路光学系で直接使用するのに適しており、余分にかさばってディスプレイビューアへの過度のケラレおよび結合光の損失を引き起こす新たなコリメーション光学系を必要としない。
【００３７】
図２Ｅは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の上接触金属層２０５の設計により実質的にランベルト発光が可能になる一実施形態を示している。図２Ｅに示したように、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の上接触金属層２０５は、ピクセルフォトニック構造２１０の上側への効果的な接触を可能にするとともに、ピクセルの発光開口部のサイズを最大にすることも可能にする。Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセルの発光は実質的にランベルトだが、この実施形態のＭ−ＱＰＩイメージャ２００の構成は、最大光放射度がＭ−ＱＰＩイメージャ２００の放出開口部から結合されるようにする。このように強い明るさのランベルト光を発するＭ−ＱＰＩイメージャ２００は、非常に強い明るさを必要とする投影ディスプレイなどの用途で有用である。この実施形態のＭ−ＱＰＩイメージャ２００は小サイズであるため、埋め込み型のモバイルアプリケーションに適している体積の小さいプロジェクタが可能になる。
【００３８】
Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の別の実施形態では、図２Ｇに示したように、コリメートした発光により、マイクロ光学層２０６を透明なカバー層２０４のすぐ下に置いてＭ−ＱＰＩイメージャ２００構造に追加することが可能になる（米国特許出願公開第２０１７／０１８４７７６号）。Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０のマイクロ光学要素層２０６により、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００からの非テレセントリックの発光が可能になり、この光は、各々のピクセル２３０から放出される光をさらにコリメートするために使用される。あるいは、この実施形態を利用して、通常ＡＲディスプレイで使用されるＴＩＲ導波路光学系に直接結合したり、ライトフィールドディスプレイのマルチビューを調整したりするなど、イメージャを多くの用途に適したものにするために、ピクセル２３０から放出された光の方向を調整することができる（米国特許第７，７６７，４７９号）。
【００３９】
本開示の新規な態様の１つが、色調整可能な固体発光ダイオードのＩＩＩ族窒化物材料を利用して、ピクセル２３０が多色発光ダイオード構造２１０を形成することであり、これによってピクセル構造を貫通する電気的相互接点を最低限にし、ピクセルごとのアドレス指定可能な接点の数を減らして単一の接点にするほかは、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセルアレイ全体に用いる共通接点である。Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０の多色発光を可能にするために単一のフォトニック半導体層２１０を使用することで、実質的にＭ−ＱＰＩイメージャの製造プロセスが簡易になるほか、各々のＭ−ＱＰＩイメージャのピクセルはただ一つのアドレス指定可能な接点しか必要としないため、ピクセルのピッチが５μ未満に縮小される。
【００４０】
Ｍ−ＱＰＩイメージャの色調整可能な半導体構造
図３Ａはエネルギーバンドプロファイルを示し、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のフォトニック構造２１０を構成する図３Ｄのヘテロ接合多層量子閉じ込め系発光ダイオード構造３００を例示している。図３Ｄは、本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０の多色発光ダイオードを形成する半導体フォトニック構造２１０の断面図である。同じ要素には同じ符号を使用しているが、ピクセル２３０を形成する前のフォトニック構造２１０の色調整可能な発光層は、本明細書では多層半導体発光ダイオード構造３００と記載している。
【００４１】
本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００の製造方法の１つの実施形態によれば、多層発光ダイオードのエピタキシャル構造３００は、適切なエピタキシャル成長半導体プロセスを用いて半導体ウエハとして別々に製造された後、図２Ｃに示したようにピクセルの側壁２３５ならびに金属接触層２０５および２１５を組み入れるウエハサイズの多層フォトニック半導体構造２１０を形成するように後処理される。デジタル半導体構造２２０は、シリコン系ＣＭＯＳなどの適切な半導体プロセスを用いて半導体ウエハとして別々に製造された後、多層に積層したフォトニック半導体構造２１０とウエハレベルまたはダイレベルで接合されて図２Ａまたは図２Ｂに示したＭ−ＱＰＩイメージャ２００を作製する。
【００４２】
以下の段落では、多層発光ダイオード構造３００およびデジタル半導体構造２２０の設計仕様ならびに本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００を作製するのに使用できるウエハの後処理および製造フローの設計仕様を説明する。
【００４３】
図３Ａは、ヘテロ接合多層量子閉じ込め系発光ダイオード構造３００を例示している活性領域のエネルギーバンドプロファイルを示している。特別設計した中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）３３３は、ユーザ規定のバンドギャップをそのそれぞれの組成の規定に従って最適化させ、光学活性領域３３０の構造に対するユーザ規定のバンドオフセットをそのドーピングレベルに影響されるようにしたもので、活性サブ領域３３１どうしの間のキャリア移動を選択的に制御して活性サブ領域３３１のキャリア捕捉率のバランスをとる手段を提供するように光学活性領域３３０に直接組み込まれる。図３Ａの発光ダイオード構造の多層は、発光ダイオード構造３００の標的または所望の放出波長範囲に応じて、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体合金で構成されてよい。本明細書に記載した方法は、図３Ａのダイオード構造を用いて例示したように、量子井戸、量子細線または量子ドットなどの量子閉じ込め手段を組み入れた光学活性層を有する極性、または半極性、または非極性の結晶構造を含む固体発光ダイオード構造に適用可能である。
【００４４】
ディスプレイ用途で特に興味深いのは、ヘテロ接合多層量子閉じ込め系発光ダイオード構造３００のエピタキシャル成長のためにＩＩＩ族窒化物（ＡｌＧａＩｎＮ）材料を使用することである。なぜなら、ＩＩＩ族窒化物材料のバンドギャップ範囲は可視光線のスペクトル全体をカバーしているからである。図示した本開示の様々な態様の例には、前述の開示の範囲を限定することなくＩＩＩ族窒化物材料を使用しているが、本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００がカバーする所望の多色発光スペクトルの波長範囲に応じて他のＩＩＩ−Ｖ族材料を使用できる。
【００４５】
図３Ｄは、多層発光ダイオードのエピタキシャル構造３００を示している。図３Ｄは、本開示によるモノリシック多色ヘテロ接合多層量子閉じ込めＩＩＩ族窒化物系発光ダイオードのエピタキシャル構造３００の例示的だが非限定的な実施形態を簡易化した概略断面図である。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの公知のエピタキシャル蒸着技術を用いて形成できる多層エピタキシャル構造３００は、適切な基板３１１上にエピタキシャル成長させられ、適切な基板とは例えばＧａＮ、Ｓｉ、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）のウエハで、核形成層／バッファ層３１２が上に形成され、例えばＮ型ドーパントとしてＳｉを含んでいるＮドープ層３１０がヘテロ接合構造３００の上に載っているウエハである。Ｎ層３１０の上に載っているのは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮ層の組み合わせで構成される多層の光学活性領域３３０である。活性領域３３０の上に載っているのは、光学電子ブロッキング層（ＥＢＬ）３４０で、典型的には高濃度にＰドープされたＡｌＧａＮとそれに続くＰドープ層３２０とからなり、例えば両者はＰ型ドーパントとしてＭｇを含んでいる。
【００４６】
図３Ｄに詳細に示したように、多層（ＭＱＷ）活性領域３３０は、複数の量子井戸系光学活性サブ領域を含む。青３３１Ｂ、緑３３１Ｇおよび赤３３１Ｒの発光には、それぞれの量子バリア層３３２が含まれる。各々の光学活性サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇ、３３１Ｒは、少なくとも１つのＱＷ層を含み、そのバンドギャップは、それぞれの波長放出を達成するように設定されている。各々のバリア層３３２の厚みは、約５〜１０ｎｍの厚みで、主にＧａＮで構成される。光学活性サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒの量子井戸は、それぞれ約２〜３ｎｍの厚みで、ＩｎxＧａ1-xＮで構成される。サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒにあるインジウムxの割合は、これらのサブ領域の量子閉じ込め層と関連するバンドギャップを決定し、よってその放出の波長も決定する。
【００４７】
多層活性領域３３０は、複数の特別設計した中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）３３３も含み、この中間キャリアブロッキング層は、様々な量のアルミニウム（Ａｌ）を混ぜ込んだＡｌxＧａ1-xＮからなり、各層それぞれのバンドギャップおよびバンドオフセットを調整するためにドープされている。この文脈では、バンドオフセットという用語は、活性領域３３０に固有のバンドギャップに対するＩＢＬ３３３のバンドギャップのエネルギーオフセットを指す。ＩＢＬ３３３は、その自発的な発光を促すために、活性領域３３０のそれぞれのＭＱＷに注入されたキャリアの個体数を選択的に制御するように機能する。通常、ＩＢＬのバンドギャップは、それに関連する量子井戸層のバンドギャップよりも大きく、ＩＢＬの厚みは、ＩＢＬ内での量子閉じ込めを回避するように１０ｎｍの範囲内で設定されるが、最終的に順方向電圧が高くなって過度に加熱されて性能低下につながる可能性を避けるために、過度に厚くはしない。図３Ａに示したように、ＩＢＬのバンドギャップおよびバンドオフセットは、その材料組成およびドーピングの種類およびレベルによって決まっているため、活性領域３３０内での位置に応じて設定されてよく、それぞれのサブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒへの電化キャリアの流れを、キャリアを活性領域３３０に注入するレベルに応じて明確に制御するように設定される。図３Ａに示したように、通常ＩＢＬ３３３の伝導帯（ＣＢ）エッジは構造のＰドープ側３２０に向かって徐々に高くなり、その価電子帯（ＶＢ）エッジは構造のＮドープ側３１０に向かって徐々に低くなる。
【００４８】
ＩＢＬ３３３は、注入電流レベルに基づいて選択的に光学活性サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒの量子井戸に選択的にキャリアを注入できるようにするという重要な役割を果たす。図３Ａに示したように、サブ領域３３１Ｒと３３１Ｇとの間に位置しているＩＢＬ１３３３−１および３３１Ｇと３３１Ｂとの間に位置しているＩＢＬ２３３３−２の材料組成およびドーピングは、（１）ＩＢＬ１３３３−１およびＩＢＬ２３３３−２の伝導帯（ＣＢ）エッジがＱＷバリア層３３２のＣＢエッジよりも高く、（２）ＩＢＬ１３３３−１およびＩＢＬ２３３３−２の価電子帯（ＶＢ）エッジがＱＷバリア層３３２のＶＢエッジよりも低く、（３）ＩＢＬ１３３３−１の伝導帯（ＣＢ）エッジがＩＢＬ２３３３−２のＣＢエッジよりも高く、そして（４）ＩＢＬ２３３３−２の価電子帯（ＶＢ）エッジがＩＢＬ１３３３−１のＶＢエッジよりも低くなるように設定される。
【００４９】
ＩＢＬ３３３の組成およびドーピングレベルが適切に設計されていれば（米国特許出願公開第２０１６／０３５９３００号）、多層発光ダイオードエピタキシャル構造３００の発光は、低い電流注入範囲では３３１Ｒの活性サブ領域に、中間の電流注入範囲では３３１Ｇの活性層に、高い電流注入範囲では３３１Ｂの活性サブ領域に支配される。この作用を図３Ｅに示しており、図は相対的な発光力αn＝Ｌn／ΣＬnを示し、式中の添え字ｎは、注入電流の全範囲にわたる活性層３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒを表す。図３Ｅに示したように、赤色活性サブ領域３３１Ｒは、低い電流注入範囲での放出を支配しており、注入されたキャリアの大部分が赤色活性サブ領域３３１Ｒに選択的に入っていることを示している。
【００５０】
電流の注入が増すと、緑色活性サブ領域３３１Ｇが放出を支配し、高い電流で注入されたキャリアの大部分が緑色活性サブ領域３３１Ｇに選択的に入っていることを示す。電流の注入がさらに増すと、青色活性サブ領域３３１Ｂが放出を支配し、さらに高い電流で注入されたキャリアの大部分が青色活性サブ領域３３１Ｂに選択的に入っていることを示す。
【００５１】
上記の選択的なキャリア注入の効果は、以下の異なる電流注入レベルでＩＢＬ３３３−１および３３３−２のキャリアを遮断、減衰または抑制する作用による直接の結果として起こる。
（１）低電流注入範囲では、赤色／緑色ＩＢＬ１３３３−１の正孔遮断作用により、注入された正孔は、正孔が密集している赤色活性層３３１Ｒの分極場に引き付けられる電子として主に赤色活性サブ領域３３１Ｒに存在し、赤色活性層３３１Ｒにも主に存在するため、赤色活性層３３１Ｒは図３Ｅに示したように放出を支配する。
（２）電流注入レベルが増すと、赤色／緑色ＩＢＬ１３３３−１の電子遮断作用により、注入された電子は、電子が密集している緑色活性層３３１Ｇの分極場に引き付けられる正孔として主に緑色活性層３３１Ｇに存在し、赤色／緑色ＩＢＬ１３３３−１を超えて移動し、緑色活性層３３１Ｇにも主に存在するため、緑色活性サブ領域３３１Ｇは図３Ｅに示したように放出を支配する。
（３）電流注入レベルがさらに増すと、青色／緑色ＩＢＬ２３３３−２の電子遮断作用により、注入された電子は、電子が密集している青色活性サブ領域３３１Ｂの分極場に引き付けられる正孔として主に青色活性層３３１Ｂに存在し、緑色／青色ＩＢＬ２３３３−２を超えて移動し、主に青色活性サブ領域３３１Ｂに存在するため、青色活性サブ領域３３１Ｂは図３Ｅに示したように放出を支配する。
【００５２】
したがって、記載したような注入電流に応じたＩＢＬ３３３−１および３３３−２のキャリア遮断作用は、注入されるキャリアを注入電流に応じて３つの活性サブ領域３３１Ｒ、３３１Ｇおよび３３１Ｂに選択的に注入して、図３Ｅに示している注入電流に応じた多色を調整する多層発光ダイオードエピタキシャル構造３００の特性を実現する。
【００５３】
エピタキシャル成長の設計例
図３Ｆは、多層発光ダイオードのエピタキシャル構造３００の例示的な設計のＣＩＥ色域を示し、光学活性サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１ＲのＩｎxＧａ1-xＮ組成物のＱＷは、発光波長６２５ｎｍ、５２５ｎｍおよび４６５ｎｍを達成するようにそれぞれｘ＝０．１２、ｘ＝０．２７およびｘ＝０．３４に設定されている。ＩＢＬ３３３−１および３３３−２のＡｌyＧａ1-yＮの組成およびドーピングは、ｙ＝０．２、１５ｘ１０17Ｍｇのドープ、およびｙ＝０．０７、５ｘ１０17Ｍｇのドープにそれぞれ設定されている。図３Ｆは、本開示にしたがってエピタキシャル成長させた多層発光ダイオード構造３００が高解像度（ＨＤ）の色域のほぼ完全な適用範囲を達成していることを示している。本開示にしたがってエピタキシャル成長させた多層発光ダイオード構造３００が達成した、図３Ｆに示した発光スペクトルの軌跡に沿った任意色の点は、後続の段落に記載する通り、構造３００のキャリア注入率（または電流駆動レベル）を制御することによって設定され得ることに留意することが重要である。
【００５４】
図３Ｇおよび図３Ｈの放出はそれぞれ、多層発光ダイオードエピタキシャル構造３００の例示的な設計で測定したエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）およびフォトルミネッセンス（ＰＬ）のスペクトルを示している。図３Ｇは、注入電流密度が低（赤線）、中（緑線）、および高（青線）の場合の室温で測定した、正規化したＥＬスペクトルを示している。
【００５５】
約０．５Ａ／ｃｍ2の低電流密度では（下のサブプロット）、発光は主に６２５ｎｍの赤色で、半値全幅（ＦＷＨＭ）は約５０ｎｍである。約１０Ａ／ｃｍ2の中電流密度では、発光は主に５２５ｎｍの緑色で、半値全幅（ＦＷＨＭ）は約４５ｎｍである。５０Ａ／ｃｍ2の電流密度では、発光は主に４６５ｎｍの青色で、半値全幅（ＦＷＨＭ）は約３５ｎｍである。
【００５６】
図３Ｆおよび図３Ｇからわかるように、多層発光ダイオードエピタキシャル構造３００の多色発光は、設計された動作範囲にわたって注入電流を制御することによって、赤から緑、そして青が優勢な色放出までのＨＤ色域にわたって調整可能である。以下、多層発光ダイオードのエピタキシャル構造３００を「多色調整可能な発光ダイオードのエピタキシャル構造３００」と称する。
【００５７】
上記に説明し、図３Ｆに示したように、ＱＷ系光学活性層３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１ＲのＩｎxＧａ1-xＮ組成、つまりバンドギャップは、色域コーナーの色座標およびＡｌyＧａ1-yＮ組成を決定し、ＩＢＬ３３３−１および３３３−２のドーピングは、多色調整可能な発光ダイオード構造３００の電流注入が動作範囲の低い部分から高い部分にわたって変化するときに、色域コーナーどうしの間にスペクトル軌跡を形成する発光色の軌道を決定する。各々の光学活性サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒにある量子井戸（ＱＷ）の数は、多色調整可能な発光ダイオード構造３００の設計パラメータである。相対発光力または光束αn＝Ｌn／ΣＬnであり、式中添え字ｎはそれぞれ光学活性層３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒを表し、各々の光学活性層３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１ＲのＱＷの数を正しく設定することによってバランスをとることができる。例えば、高電流注入で発生する青色の色域コーナーを達成するには、青色活性層３３１ＢにＱＷを２つ以上組み込む必要があることがある。また、赤色の色域コーナーに関連する必要な発光力を達成するには、赤色活性層３３１ＲにＱＷを２つ以上組み込む必要があることがある。
【００５８】
相対発光力αn＝Ｌn／ΣＬnのバランスをとることで、多色調整可能な発光ダイオード構造３００の色調整のダイナミックレンジを有効に活用する。多色調整可能な発光ダイオード構造３００の総合発光力、または光束ΣＬnは、光学活性サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒの発光力の加重和として電流注入ｉに依存し、
ΣＬn＝Ｌ（ｉ）＝αR（ｉ）ＬR＋αG（ｉ）ＬG＋αB（ｉ）ＬB
αR（ｉ）＋αG（ｉ）＋αB（ｉ）＝１
であり、式中αR（ｉ）、αG（ｉ）およびαB（ｉ）はそれぞれ、電流注入レベルｉでの多色調整可能な発光ダイオード構造３００の光学活性層３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒの（相対）発光力の寄与を表す。パラメータαR（ｉ）、αG（ｉ）およびαB（ｉ）は、電流注入レベルｉで光学活性層３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒに最終的に存在する合計注入キャリアの割合に比例する。多色調整可能な発光ダイオード構造３００の電流注入ｉでの動作範囲にわたるパラメータαR（ｉ）、αG（ｉ）およびαB（ｉ）の値は、その色域のスペクトル軌跡を決定する。
【００５９】
図３Ｂに示した別の実施形態では、電流注入を制御した発光力とそれに関連する色域スペクトル軌跡とのバランスをさらにとることは、Ｎドープ層３１０と多色調整可能な発光ダイオード構造３００のＮ側のＭＱＷ活性領域３３０との間にＮドープしたＡｌyＧａ1-yＮキャリア遮断層３１５を加えることで達成し得る。遮断層３１５は、高電流注入レベルで青色活性サブ領域３３３Ｂに電子が極度に密集していることで強力な分極場が引き起こされることに応答して、正孔が青色活性サブ領域３３３Ｂを超えて移動する可能性を軽減する。キャリア遮断層３１５を加えることで、低い注入電流レベルで青色活性サブ領域３３３Ｂから高い発光力が可能になり、それによって青色活性サブ領域３３３Ｂからの発光は、そのサブ領域でより少数のＱＷを用いて色域の青色コーナーに到達できる。
【００６０】
図３Ｃに示した別の実施形態では、電流注入を制御した発光力とそれに関連する色域スペクトル軌跡とのバランスをさらにとることは、多色調整可能な発光ダイオード構造３００の活性領域３３０の赤色サブ領域３３１Ｒにある２つのＱＷの間にＰドープしたＡｌyＧａ1-yＮキャリア遮断層３３１ｂを加えることで達成し得る。遮断層３３１ｂは遮断層３３１ａとともに、赤色サブ領域３３１Ｒの電流注入範囲を拡大する役割を果たす。新たなＱＷおよびそれに関連するキャリア遮断層３３１ｂを赤色サブ領域３３１Ｒに加えることで、多色調整可能な発光ダイオード構造３００の赤色波長スペクトルの発光範囲内でより高い発光力が可能になる。
【００６１】
電流注入を制御した発光力とそれに関連する色域スペクトル軌跡とのバランスをとる役割に加えて、ＩＢＬ３３３−１および３３３−２ならびにＡｌyＧａ1-yＮ層３１５は、多色調整可能な発光ダイオードのエピタキシャル構造３００の中でエピタキシャルストレインリリーフ層として働く。アルミニウム（Ａｌ）含有層３１５、３３３−１および３３３−２のこの追加機能は、光学活性サブ領域３３１Ｂ、３３１Ｇおよび３３１Ｒから多色発光を実現するために必要とされる連続的に上がるインジウム（Ｉｎ）取込率を達成するのに重要である。
【００６２】
Ｍ−ＱＰＩイメージャを制御する半導体構造
図４Ａは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のデジタル半導体構造２２０の断面を示している。デジタル半導体構造２２０は、従来のＳｉ系相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて製造され、ＳｉＯ2のような絶縁半導体材料の薄層を介して隔てられた多くの金属層４２０、４２２、４２３、および４２４と、ピクセルドライバアレイ４５０、処理論理４６０およびインターフェース論理４６５を含む制御論理４２５とで構成されてよく、従来のＣＭＯＳ半導体技術を用いてＳｉ−基板２２７上に堆積されてよい。金属層４２０の最上面に堆積されているのは、ピクセルの接触ビア４２１、および制御論理４２５と共晶はんだ接触ボール２２２との間に接続性をもたらすシリコン貫通電極（ＴＳＶ）４３１であり、共晶はんだ接触ボールは、制御論理４２５への外部インターフェース接続をもたらす。
【００６３】
図４Ｂは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のデジタル半導体構造２２０の機能ブロック図である。明瞭にするために、放出性多色ピクセル２３０のアレイ２５０を、制御論理４２５と放出性多色ピクセル２３０のアレイ２５０との間にインターフェースをもたらすピクセルドライバ４５５のアレイ４５０に接続させて示している。各々のピクセルドライバ４５５は、内部インターフェース４３０を介して制御論理４２５から受信した電気制御信号を、各々の多色ピクセル２３０固有の接点４４０に対して適切な電気信号（電圧）レベルに変換する。放出性多色ピクセル２３０のアレイ２５０の共通の接触金属層２０５（図２Ｃ、図２Ｄおよび図２Ｅ）は、ピクセルアレイ２５０のエッジにあるピクセルの側壁を介して制御論理４２５に接続されている。共晶接触ボール２２２に接続されている制御論理４２５のインターフェースブロック４６５は、電力および接地信号をデジタル半導体構造２２０全体に接続し、受信したデジタル画像データを処理論理４６０に中継する。
【００６４】
図４Ｃは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の全体的背景のうちの処理論理４６０の機能ブロック図である。処理論理４６０は、専用のデジタル論理として、またはマッチング処理機能およびスループットを有するように設計された埋め込み型デジタル信号処理コアで実行されるソフトウェアとして実現されてよい。
【００６５】
図４Ｃに示したように、インターフェースブロック４２５によってデジタル半導体構造２２０に結合された入力画像データは、まず色空間変換の処理ブロック４６１によって処理され、この処理ブロックは、その入力色空間から受信した画像データを、処理論理４６０を含む画像処理工程全体で一貫して使用されるＲＧＢ色空間に変換する。次に、色空間に変換された画像データは、逆ガンマ補正ブロック４６２によって線形化され、その後、ピクセルアレイ２５０全体にわたってピクセル２３０の色および明るさの不均一性を補償するように事前修正される。ピクセル２３０の均一性の事前修正は、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００製造プロセスの最後で測定されるピクセルアレイ２５０の較正ルックアップテーブル（ＬＵＴ）４６４を用いて実施される。事前修正された画像データは次に、ピクセルの色調整ブロック４６５によってピクセル固有の調整値に変換され、ピクセルの色調整データは、入力値としてピクセルドライバ４５５に提供され、今度はこのドライバが、ピクセルの色調整データをピクセルアレイ２５０の個々のピクセル２３０に対する電気駆動信号に変換する。
【００６６】
図４Ｄは、ピクセルドライバ４５５の第１の実施形態の機能ブロック図を示している。ピクセル２３０の半導体発光ダイオードの駆動電流は通常、ショックレーのダイオード方程式によってその駆動電圧と関係があるため（ショックレー（ｉ，ｖ）のダイオード方程式によってダイオードの電流ｉはダイオードの電圧ｖと関係がある。
【００６７】
【数１】
2021523399.tif 000003
【００６８】
式中、Ｉsはダイオードの飽和電流、ＶTは熱電圧
【００６９】
【数２】
2021523399.tif 000004
【００７０】
であり、ｎはダイオードの理想係数である。）、この実施形態でも他の後続の実施形態でも、ピクセル２３０の電流注入レベルを制御することによってピクセル２３０の多色放出を制御することは、一般性を失うことなく、ピクセル２３０の電圧駆動レベルを制御することによって同じように達成される。この実施形態では、ピクセルドライバ４５５は、図４Ｃのピクセル色変調ブロック４６５によって生成されるピクセル変調信号４５２によって制御される電圧レベル切り換えブロック４５１からなり、設定した電圧レベル４５３をピクセル２３０固有の接点４４０に経路指定する。この実施形態では、ピクセル変調信号４５２は、４５３を含む複数の電圧レベル（３つの電圧レベルを例として図４Ｄに示している）のうちの１つを、指定したオンタイム期間にわたってピクセル２３０固有の接点４４０に経路指定することを可能にする。これによってそのような期間は、画像のビデオフレーム期間の一部である。例えば一般的な６０Ｈｚのビデオフレームレートの場合、画像のビデオフレーム期間は１６．６７ｍｓである。
【００７１】
本明細書では、指定したピクセルの色放出のオンタイム期間を「色変調期間Ｔm」と称する。１つの実施形態では、設定した電圧レベル４５３は、指定のオンタイム期間にわたって連続波形（ＣＷ）信号としてピクセル２３０固有の接点４４０に供給されて、ピクセル２３０の連続時間での変調を可能にする。別の実施形態では、設定した電圧レベル４５３は、指定のオンタイム期間にわたって設定した電圧レベル４５３でのパルス波形（ＰＷ）信号のシーケンスとしてピクセル２３０固有の接点４４０に供給されて、ピクセル２３０のパルス変調を可能にする。いずれの場合でも、ピクセル変調信号４５２により、電圧レベル４５３およびオンタイムの継続時間を設定することが可能になる。この実施形態のピクセルドライバ４５５により、ＣＷ変調モードまたはＰＷ変調モードのいずれかでピクセル２３０の単一から複数の電圧レベルの変調が可能になる。
【００７２】
ピクセルドライバ４５５の第１の実施形態では、ピクセル２３０の色放出の制御は、複数の方法のうちの１つを用いて達成されてよい。ＣＷ変調の場合、複数の電圧レベル４５３の各々がピクセル２３０のうちの１つの発光スペクトル範囲に対応するように複数の電圧レベル４５３が設定される。例えば、ピクセルドライバ４５５が３つの電圧レベル４５３を有する場合、最低電圧レベルは、赤色スペクトル範囲のピクセル２３０発光を達成するのに必要な電圧に相応し、中間電圧レベルは、緑色スペクトル範囲のピクセル２３０発光を達成するのに必要な電圧に相応し、最高電圧レベルは、青色スペクトル範囲のピクセル２３０発光を達成するのに必要な電圧に相応する。この方法でピクセル２３０の色を制御することは、ピクセル変調信号４５２がピクセル２３０に対して所望の色放出範囲を指定することで達成され、それに応答してピクセルドライバ４５５は、対応する電圧レベルをピクセル２３０の接点に経路指定する。
【００７３】
ピクセルドライバ４５５の第１の実施形態のＰＷ変調の事例は、単一または複数の電圧レベル４５３のいずれかで実施され得る。単一の電圧レベルのＰＷ変調を用いるこの実施形態の方法では、ピクセル２３０の多色放出は、ピクセル２３０の多色放出の色変調期間Ｔmの継続時間内でキャリア注入率を制御することによって全スペクトル範囲にわたって制御される。この実施形態の方法では、ＰＷ変調に使用する単一の電圧は、関連する変調期間内に最高値の電圧レベルを必要とするスペクトル範囲内でピクセル２３０の発光を可能にするのに必要な電圧であり、この場合、変調期間ＴmB内の青色スペクトル範囲である。
【００７４】
緑色および赤色のスペクトル範囲でのピクセル２３０発光の場合、ＰＷ変調率、およびそれに伴い関連するキャリア注入率は、緑色および赤色のそれぞれの色放出領域で所望の色放出を達成するためにＴmB＜ＴmG＜ＴmRとなるように変調期間を長くすることによって、比例して低下する。複数の電圧レベルでのＰＷ変調を用いるこの実施形態の方法では、ピクセル２３０の多色放出は、各々の電圧レベルでのキャリア注入率を制御することによって全スペクトル範囲の領域にわたって制御され、例えばピクセル２３０の多色放出の全スペクトル範囲は、赤色−緑色放出領域と緑色−青色放出領域の２領域に分割される（場合によっては一部重複する）。赤色−緑色放出領域では、ＰＷ変調に用いられる２つの電圧レベルの低い方が、変調期間ＴmG内の緑色スペクトル範囲でピクセル２３０発光を可能にすることに相応し、赤色−緑色スペクトル範囲にわたる色放出は、ＴmG＜ＴmRとなるように比例して長くなる変調期間で起こる。
【００７５】
緑色−青色放出範囲では、ＰＷ変調に用いられる２つの電圧レベルの高い方が、変調期間ＴmB内の青色スペクトル範囲でピクセル２３０発光を可能にすることに相応し、緑色−青色スペクトル範囲にわたる色放出は、ＴmB＜ＴmGとなるように比例して長くなる変調期間で起こる。同じように、ピクセル２３０の全スペクトルの放出は、３つの領域、例えば赤色、緑色および青色の放出領域に分割されてよい。この場合、ピクセル２３０光の多色放出は、所望のスペクトル領域に相応する電圧レベルを設定し、その後、設定したスペクトル領域内の所望の放出色に相応する変調期間Ｔmの継続時間を設定することによって、全スペクトル範囲にわたって制御される。これは、ピクセルドライバ４５５の第１の実施形態のＰＷ変調方法のピクセル２３０色変調に対する新規な解決策であり、ピクセル２３０の色放出をその色域スペクトル軌跡の全範囲にわたって直接変調すること可能にするものである。
【００７６】
図４Ｅは、ピクセルドライバ４５５の第２の実施形態の機能ブロック図である。この実施形態では、ピクセルドライバ４５５は、充電率および放電率がピクセル２３０の変調信号４５２によって制御されるコンデンサ系エネルギー貯蔵要素４５４からなり、変調信号は図４Ｃのピクセル色変調ブロック４６５によって生成される。この実施形態では、単一の電圧レベルを用いてコンデンサ系エネルギー貯蔵要素４５４を充電し、ピクセル変調信号４５２は、コンデンサ系要素４５４に充電されたエネルギーの量および変調期間Ｔmの長さを制御し、そのように貯蔵されたエネルギーはこの時間にわたってピクセル２３０固有の接点４４０に経路指定される。
【００７７】
この実施形態では、ピクセル２３０の多色放出は、コンデンサ系要素４５４に貯蔵された励起エネルギーがピクセル２３０に送られる速度を制御することによって制御される。例えば、青色範囲内のピクセル２３０からの発光の励起は、コンデンサ系エネルギー貯蔵要素４５４を最も高くなる可能性のあるエネルギー貯蔵レベルまで充電し、次に貯蔵したエネルギーを、変調期間ＴmB内の青色スペクトル範囲でピクセル２３０発光を実現するのに必要な電圧レベルに相応する電圧レベルで放電することによって達成される。
【００７８】
一般に、ピクセル２３０からの発光をその全スペクトル範囲内で任意の所望の色で励起させるには、エネルギー貯蔵要素４５４を必要な色放出に相当する値まで充電し、次に、ピクセル２３０の全スペクトル範囲内で必要とされる色でピクセル２３０発光を達成することに相応する電圧レベルおよび変調期間Ｔm内で貯蔵エネルギーを放電することが必要である。第１の実施形態と同じように、ピクセルドライバ４５５のこの第２の実施形態により、ピクセル２３０の色放出をその色域スペクトル軌跡の全範囲にわたって直接変調する新規な方法が可能になる。
【００７９】
図４Ｆは、ピクセルドライバ４５５の第３の実施形態の機能ブロック図である。この実施形態では、ピクセルドライバ４５５は、Ｎビットからなるデジタル信号として表されるピクセル変調信号４５２を入力として有するデジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器４５６からなる。この場合、ピクセル変調信号４５２は、Ｄ／Ａ４５６によって、ピクセル変調信号４５２のＮビット値に比例するＤ／Ａ基準電圧Ｖrefのスケーリングした値であるピクセル２３０電圧の駆動レベルに変換される。１つの実施形態では、Ｄ／Ａ４５６の基準電圧Ｖrefは、関連する変調期間内で最高値の電圧レベルを必要とするスペクトル範囲内でのピクセル２３０の発光を可能にするのに必要な電圧値になるように設定されてよく、それはこの場合、変調期間ＴmB内の青色スペクトル範囲である。青色スペクトル範囲でピクセル２３０の色放出を駆動するには、Ｎビットのピクセル変調信号４５２を変調期間ＴmB内に最大値にする必要がある。緑色および赤色のスペクトル範囲でピクセル２３０の発光を駆動するには、緑色および赤色のそれぞれの色放出領域で所望の色放出を達成するためにＴmB＜ＴmG＜ＴmRとなるように、変調期間が相応に長くなってＮビットのピクセル変調信号４５２の値が比例して低下する必要がある。前の実施形態と同じように、この実施形態のピクセルドライバ４５５はまた、指定した変調期間Ｔmにわたって電圧レベルを変調したＣＷとしてピクセル２３０に対して駆動信号も変調する。
【００８０】
別の実施形態では、Ｄ／Ａ４５６のケースの基準電圧Ｖrefは、必要なスペクトル範囲内でピクセル２３０の発光を可能にするのに必要な電圧値となるように設定される。例えば、青色、緑色または赤色のスペクトル放出範囲およびＮビットのピクセル変調信号４５２は、変調期間ＴmCを適切に設定した状態でそれぞれのスペクトル範囲内の指定色を制御するために使用される。この実施形態では、Ｄ／Ａ基準電圧Ｖrefを調整することで、ピクセル２３０の色スペクトル放出範囲を規定するとともに、Ｎビットのピクセル変調信号４５２のワードはその範囲内にある特定の色点を規定する。例えば、Ｄ／Ａの基準電圧Ｖrefの離散値を３つ設定し、例えば青色、緑色または赤色のスペクトル放出範囲を規定する場合、ピクセル２３０の色スペクトル放出を制御するためのダイナミックレンジは３ｘ２Nである。したがって、事実上は、Ｄ／Ａ基準電圧Ｖrefの離散値の数とピクセル変調信号４５２のワード長とが一緒に選択されて、ピクセル２３０の色放出を設定する際の解像度を制御する。
【００８１】
ピクセルドライバ４５５の前の実施形態について記載した方法で有効になるピクセル２３０の変調信号４５２を図４Ｇ、図４Ｈ、図４Ｉおよび図４Ｊに示している。
【００８２】
図４Ｇは、ピクセル２３０の駆動方法を示しており、多色発光を変調するためにピクセル２３０固有の接点４４０に対して提供される駆動信号４５２は、それに応じて変調された離散のマルチレベル電圧信号であり、各離散電圧レベルＶmは変調期間Ｔmにわたって変調されている。このピクセル２３０駆動方法では、設定した電圧レベルＶmおよびそれに対応する変調期間Ｔmは、ピクセル２３０から放出される色およびそれに対応する輝度をそれぞれ決定する。このピクセル２３０駆動方法では、ピクセル２３０の「色」および「輝度」は、設定した電圧レベルＶmおよび変調期間Ｔｍの値によって変調され、この値は、ピクセル変調信号４５２を介してピクセルドライバ４５５によって有効になる。例示的な例として、図４Ｇは、３つの離散電圧レベルＶmを示し、それらをまとめた対応する変調期間Ｔmはビデオフレーム期間全体ＴFにまたがり、６０Ｈｚのビデオフレームのレートの場合は例えば、１６．７ｍｓである。この例では、３つの離散電圧レベルＶmおよび変調期間Ｔmは、ピクセル２３０がビデオフレーム継続時間ＴFにわたって指定通りに（色、輝度）発光できるようにするために、赤色、緑色および青色のスペクトル領域で各色に対して指定した輝度でピクセル２３０が発光するよう対応している。例えば、ピクセル２３０がディスプレイの白（色）点で発光するようになっている場合、電圧レベルＶmおよび変調期間Ｔmは、ピクセル２３０から赤色、緑色および青色を適切な輝度バランスで放出して白（色）放出をビデオフレーム継続時間ＴFにわたって達成できるようにピクセル変調信号４５２によって設定される。
【００８３】
あるいは、図４Ｈに示したように、全ビデオフレーム継続時間ＴFは、継続時間のサブフレームＴSFに分割され、各々のサブフレームの間は、電圧レベルＶmは比例する変調サブ期間Ｔsmに対して設定される。この場合も同じように、電圧レベルＶmおよび変調期間Ｔsmは、ピクセル２３０から赤色、緑色および青色を適切な輝度バランスで放出して白（色）放出をビデオフレーム期間ＴSFにわたって、そしてそのあと全ビデオフレーム継続時間ＴFにわたって達成できるようにピクセル変調信号４５２によって設定される。上記段落に記載したピクセル２３０駆動方法は、前例で使用した数よりも多い離散電圧レベルを用いて実現して、ピクセル２３０を多色放出するスペクトル軌跡全体にわたってより多くの色点でピクセル２３０の色および輝度を有効にすることも可能であることに注意されたく、これについては先に説明した。換言すると、ピクセル２３０駆動方法は、原色がいくつであっても（所望すれば３つよりも多く）用いることができ、原色は、それに対応する電圧レベルをこの駆動方法に対する離散電圧レベルＶmのセットとして設定することによって、ピクセル２３０の発光スペクトル軌跡に沿って規定される。この段落で記載したピクセル２３０駆動方法は、上記のピクセルドライバ４５５の第１、第２または第３の実施形態のいずれかを用いて実現でき、それぞれの場合でピクセルドライバ４５５へのピクセル変調の入力信号４５２は、電圧レベルＶmおよび変調期間Ｔmの値を設定できるように適切に設計される。
【００８４】
図４Ｉは、別のピクセル２３０の駆動方法を示し、この方法では、ピクセル２３０固有の接点４４０に供給されてその多色発光を変調するための駆動信号は、前回の方法の離散した連続する電圧レベルのセットとは対照的に、連続して変調される可変電圧レベル信号である。上記のピクセルドライバ４５５の実施形態によって可能になり得るこのピクセル２３０駆動方法では、変調期間Ｔm内に変調される電圧レベルＶmは、電圧範囲内の任意の値（Ｖmin，Ｖmax）とすることでき、ＶminおよびＶmax値は、ピクセル２３０のスペクトル放出軌跡、例えば赤色および青色のスペクトル放出領域のそれぞれの最長波長λmaxおよび最短波長λminのそれぞれでピクセル２３０発光を実現するのに必要な電圧レベルである。
【００８５】
この駆動方法は、対応する電圧レベルＶmを設定し、前回の場合の例と同じように、変調した電圧レベルＶmが維持される変調期間Ｔmを設定することによって、ピクセルのスペクトル放出軌跡に沿って任意の色を直接放出するようにピクセル２３０を駆動することを可能にすることに注意することが重要である。これによって、合計ビデオフレーム継続時間ＴFに比例して、ピクセル２３０から放出された色の輝度レベルを決定する。この段落に記載したピクセル２３０駆動方法は、ピクセルドライバ４５５の第２または第３の実施形態のいずれかを用いて実現でき、それぞれの場合でピクセルドライバ４５５へのピクセル変調信号４５２の入力は、ピクセル２３０のスペクトル放出軌跡（λmax，λmin）に沿って任意の所望のピクセル２３０発光色を達成するように電圧範囲内の任意の値（Ｖmin，Ｖmax）で変調電圧レベルＶmを設定し、対応する変調期間Ｔmの値を設定することを可能にし、設定した電圧値は、ピクセル２３０から放出された色で所望の輝度を達成するようにその変調期間にわたって維持されるように適切に設計される。この駆動方法でピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って任意の色点を変調できるほか、この駆動方法を用いて、ビデオフレーム継続時間ＴFにわたってピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って色点の離散したセットを変調することができ、変調した各々の色点に関連する相対輝度は、変調期間Ｔmを設定することによって変調され、この変調期間の間、その色点に対応する電圧レベルＶmはビデオフレーム継続時間ＴFにわたって維持される。
【００８６】
図４Ｊは、別のピクセル２３０駆動方法を示し、この方法では、ピクセル２３０固有の接点４４０に供給されてその多色発光を変調するための駆動信号は、１つ以上の電圧レベルＶmのパルス波形（ＰＷ）を用いて変調されたパルスのシーケンスであり、各電圧レベルは変調期間Ｔmにわたって変調される。
【００８７】
この方法では、ある特定の時間幅ＴP（継続時間）のＰＷ電圧パルスの数Ｎは、変調期間Ｔmにわたってある特定の電圧レベルＶmを用いて変調される。変調デューティサイクルに設定した電圧レベルＶmの値を掛けると、平均ピクセル変調電圧、Ｖavg＝（ＮＴP／Ｔm）Ｖmが算出され、式中ＮＴP≦Ｔmである。ピクセル２３０の半導体発光ダイオードの駆動電流は、一般にその駆動電圧に指数関数的に比例するため、平均ピクセル変調電圧Ｖavgはピクセル２３０への平均電流または平均キャリア注入率に等しい。そのため、このピクセル２３０駆動方法では、標的の輝度でピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って標的の色点に対応する平均ピクセル変調電圧Ｖavgを生成する設定電圧レベルＶmで電圧パルスの変調デューティサイクル、Ｄ＝ＮＴP／Ｔmの値を設定することによって、ピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿ってどのような発光の色点も変調することが可能である。このピクセル２３０駆動方法を単一の電圧レベルで用いる場合、スペクトル軌跡のピクセル２３０の青色領域で発光を実現するのに必要な電圧レベルは、設定した単一の電圧レベル、すなわちＶm＝ＶmBであることが好ましい。
【００８８】
また、このピクセル２３０駆動方法を、ピクセル２３０のスペクトル軌跡全体を対応するスペクトル放出領域に分割する複数の電圧レベルで使用することも可能である。例えば、２つの電圧レベルを用いる場合、低い方の電圧レベルは、スペクトル軌跡のピクセル２３０の緑色領域で発光を実現する電圧レベル、すなわちＶm＝ＶmGとなるように設定でき、高い方の電圧レベルは、スペクトル軌跡のピクセル２３０の青色領域で発光を実現する電圧レベルすなわちＶm＝ＶmBとなるように設定できる。このように２つの電圧レベルを設定する場合、低い方の電圧レベルＶmGで電圧パルスの変調デューティサイクル、Ｄ＝ＮGＴP／ＴmGを設定することで、ピクセル２３０のスペクトル軌跡の赤色から緑色までの部分に沿って発光を実現する平均ピクセル変調電圧ＶGavgが発生する。高い方の電圧レベルＶmB電圧パルスの変調デューティサイクル、Ｄ＝ＮBＴP／ＴmBを設定すると、ピクセル２３０のスペクトル軌跡の緑色から青色までの部分に沿って発光を実現する平均ピクセル変調電圧ＶBavgが発生する。同じように、より多くの電圧レベルＶmを用いて、例えば設計上のかね合いに応じて３つまたはそれよりも多い電圧レベルＶmを用いて、前回の例で設定したよりも多くの領域にピクセル２３０のスペクトル放出を分割できる。この段落で記載したピクセル２３０駆動方法は、ピクセルドライバ４５５の第２または第３の実施形態のいずれかを用いて実現でき、それぞれの場合でピクセルドライバ４５５へのピクセル変調信号４５２の入力は、変調期間Ｔm内の電圧レベルＶmおよび電圧パルス変調デューティサイクルＤ値を設定できるように適切に設計される。前回のピクセル２３０駆動方法と同じように、この方法で、ピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って任意の色点でのピクセル２３０放出を変調でき、電圧パルスの変調デューティサイクルＤ値が、ピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って変調された色点を規定し、それに関連する変調期間Ｔmの継続時間が、変調された色点で実現される輝度を規定する。
【００８９】
本開示の以下の段落で記載するように、ピクセル２３０のスペクトル放出軌跡に沿って任意の色および輝度（明るさ）を変調できるという説明したピクセル２３０駆動方法の独特の機能により、ピクセル２３０のスペクトル軌跡によって規定された色域内の任意の色点を、規定した基準の白色点の輝度に対する任意の所望の輝度レベルに変調するという新規な方法が可能になる。このような機能で、多色ピクセル２３０の色域内の任意の色点の変調を、ピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って２つ、３つまたはそれ以上の基準の色点（色原色）を用いて変調することが可能になり、それによって色域内の所望の色点を基準の色点の最も効果的な輝度バランスに変調する能力が生じる。実際、これによって、一連のプログラム可能な色域の原色（基準の色点）が生まれ、これを、ピクセル２３０の多色調整能力および以下の段落に記載する他の利点を効率的に利用するために使用できる。
【００９０】
以上の段落では、半導体（チップレベル）の物理的なレイアウト領域が異なることがあるピクセルドライバ４５５を実装する様々な方法を記載した。さらに、ピクセルドライバ４５５のアレイを含むデジタル構造２２０の物理的なレイアウト領域は、ピクセル２３０のアレイ領域（すなわちＭ−ＱＰＩイメージャ２００の発光開口部）内に限定することが有益である。
【００９１】
図５は、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のデジタル構造２２０を実装するためのある特定のＣＭＯＳ形状を用いて、ピクセルドライバ４５５のアレイを含むデジタル構造２２０のアレイのレイアウト領域をピクセル２３０のアレイ２５０の領域と合致させることができる一実施形態を示している。この実施形態では、ピクセル２３０のアレイ２５０は、ピクセル２３０の複数のサブアレイ２５２に分割され、本明細書ではこれを変調グループ２５２と称し、それによって変調グループ２５２を含むピクセル２３０は、単一のドライバ４５５によって時系列に駆動される。この手法では、必要なピクセルドライバ４５５の総数は減り、ピクセルアレイ２５０を含むピクセル２３０の総数を、変調グループ２５２を含むピクセル２３０の総数で割った数と同数になる。
【００９２】
図５に示したように、変調グループ２５２のアレイは、複数の接続要素４７２からなる接続マトリクス４７０を介してピクセルドライバ４５５のアレイ４５０に接続されている。接続マトリクス４７０を構成している各々の接続要素４７２は、制御論理４６０によって制御されて、制御論理４６０から受信するピクセル変調値を、対応する変調グループ２５２を含むピクセル２３０のうちの１つの固有の接点４４０に経路指定する。接続マトリクス４７０全体は、制御論理４６０によって制御されて、表示フレーム期間ＴF内にピクセルアレイ２５０全体の指定の連続変調スキャンパターンを作成するために、ピクセル変調値を複数のピクセル変調グループ２５２内の一連の指定ピクセル２３０に時系列に経路指定する。例えば、接続マトリクス４７０は、ピクセル２３０の指定数の行（例えば８行、１６行、３２行、６４行…）を同時に変調し、その後、ピクセルアレイ２５０全体を変調するために同数の行を順次変調するように設計されてよい。この例では、同時に変調されるピクセル２３０の行数は、必要なピクセルドライバ４５５の数を決定し、この数のピクセルドライバ４５５のレイアウト領域と、それに関連する接続マトリクス４７０のレイアウト領域とを合わせたものが、ピクセル２３０のアレイ２５０を駆動することに割り当てられた合計レイアウト領域を決定する。制御論理４６０およびインターフェースブロック４２５に必要なレイアウト領域に、ピクセル２３０のアレイ２５０の駆動に必要なレイアウト領域を足したものが、デジタル構造２２０の合計レイアウト領域をピクセル２３０のアレイ２５０の領域に合致させるのに必要なＣＭＯＳ形状を決定する。
【００９３】
制御論理４６０およびインターフェースブロック４２５に加えてアレイ２５０を駆動するのに必要なレイアウト領域（上記に説明したとおり）が組み込まれているＭ−ＱＰＩイメージャ２００のデジタル半導体構造２２０は、適切なＣＭＯＳ形状技術を用いてモノリシックＳｉ−ＣＭＯＳウエハとして製造されてよく、そのようなウエハの各々には、複数のＭ−ＱＰＩイメージャ２００のダイスが組み込まれている。先に説明したように、デジタル半導体構造２２０ウエハは、ウエハレベルを直接融合で接合する技術などを用いてフォトニック半導体構造２０４−２０５−２１０−２１５に接合されて集積した複数の（３Ｄ）ウエハ構造を形成し、このウエハ構造が図２Ａおよび図２Ｂに示したＭ−ＱＰＩイメージャ２００の個々のダイスに切断（ダイシング）される。あるいは、デジタル半導体２２０ウエハまたはフォトニック半導体構造２０４−２０５−２１０−２１５のいずれかをダイスに切断（ダイシング）してもよく、このダイスは、ダイスとウエハとの直接接合技術または共晶接合技術などを用いて、対向しているウエハに個別にダイスレベルで接合されて、複数のＭ−ＱＰＩイメージャ２００のダイスが組み込まれているウエハを形成し、このウエハが図２Ａおよび図２Ｂに示したＭ−ＱＰＩイメージャ２００の個々のダイスに切断（ダイシング）される。
【００９４】
Ｍ−ＱＰＩイメージャの動作-ピクセルの色および明るさの変調
先に説明したように、電流注入レベルｉ、または同じことだがその接点全体に印加される電圧レベルに応じたピクセル２３０発光の光束Ｌ（ｉ）は、各々のピクセル２３０を構成しているフォトニック層３３１Ｒ、３３１Ｇおよび３３１Ｂから放出される光束（ＬR，ＬG，ＬB）の加重和である。
Ｌ（ｉ）＝αR（ｉ）ＬR＋αG（ｉ）ＬG＋αB（ｉ）ＬB
αR（ｉ）＋αG（ｉ）＋αB（ｉ）＝１
【００９５】
重み係数の値αR（ｉ）、αG（ｉ）およびαB（ｉ）は、電流に依存し、または同じことだが電圧に依存し、各々のピクセル２３０を構成しているフォトニック層３３１Ｒ、３３１Ｇおよび３３１Ｂへの相対的な関わりも制御するため、ピクセル２３０に注入される電流の値、または同じことだがその接点全体に印加される電圧の値は、ピクセル２３０のスペクトル放出軌跡に沿って色点および光束を制御する。赤から青までのスペクトル領域のピクセル２３０発光の光束は、ピクセル２３０の電流注入レベル、または同じことだが電圧レベルに比例して体系的に高くなるため、変調した色点でのピクセル２３０の測光輝度（知覚される明るさ）は、変調した色点の相対的な持続時間（または相対的な変調時間Ｔm／ＴF；式中／ＴFは表示フレーム期間）を用いて制御される。これは、ピクセル２３０の電流注入レベル、または同じことだが電圧レベルによってピクセル２３０の色と明るさの両方を制御できるという意味である。
【００９６】
原色
これまでの実施形態に記載したピクセル２３０駆動方法の１つを用いると、複数の離散したＣＷもしくはＰＷ電圧レベルまたは単一のＣＷもしくはＰＷ可変電圧のいずれかを用いる本明細書に記載した多くのピクセル変調方法の１つを用いて、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０の色度（色）および明るさ（または彩度および輝度）を変調できる。設定される電圧レベルは、離散または可変のいずれかで、経時的に多重化されてピクセル２３０のスペクトル放出軌跡に沿って複数の主な色点を合成し、本明細書ではこれらの合成色点を省略して「原色」と称し、原色はその後、表示（ビデオ）フレーム期間ＴFにピクセル２３０の発光の色および明るさを変調するために使用される。ピクセル２３０の発光スペクトル軌跡に沿った任意の点でのピクセル２３０発光は、ピクセル２３０のスペクトルの色域Ｒ、ＧおよびＢのコーナーからの発光の加重和であるため、これらの点を効率よく設定することは、それに関連するピクセル２３０のスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーからの発光の加重和を設定することと同じである。
【００９７】
また、ピクセル２３０の発光スペクトル軌跡に沿った任意の色点は、ピクセルドライバ４５５によってピクセル２３０に提供される、それに対応する駆動電圧レベルによって適切に設定され得るため、スペクトルの色域ＲＧＢのコーナーを含むピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って実際に適切に設定された任意の色点のセットｃは、変調の原色として設定されることができる。これは、ピクセルドライバ４５５によってピクセル２３０に提供される、それに対応する駆動電圧レベルを選択し、その後、これらの選択した電圧レベルを表示（ビデオ）フレーム期間／ＴFに適切な率ｔc＝Ｔmc／ＴFで経時的に多重化して、ピクセル２３０からの発光の所望の色および明るさを変調することによって行われる。
【００９８】
ディスプレイ白色点
ピクセル２３０の明るさの変調は、ディスプレイ白色点の選択した明るさレベルに関係している。ピクセル２３０のスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーを原色として選択する一実施形態では、ＲＧＢ色原色のディスプレイの最大明るさレベルは、所望の白色点の明るさを達成するのに必要な原色の明るさ値である。この実施形態で選択した原色はピクセル２３０のスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーであるため、その色および明るさは、ピクセル２３０の各々の発光層３３１からの優勢なスペクトル放出に相当する。したがって、ディスプレイ白色点Ｗの明るさＬWおよび色度座標（Ｗx，Ｗy）は、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０のＲＧＢ発光層３３１Ｒ、３３１Ｇおよび３３１Ｂの明るさ（ＬR，ＬG，ＬB）および色度座標（Ｒx，Ｒy）、（Ｇx，Ｇy）および（Ｂx，Ｒy）のそれぞれによって決定され、これは以下の式２−１、および２−２で表される。
【００９９】
【表１】
2021523399.tif 000005
【０１００】
さらに別の実施形態では、ピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿って適切に選択した色点のセットをピクセル２３０の色および明るさを変調するための原色として使用する。この実施形態では、そのような色点を変調の原色として使用する場合の、ピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿った任意の色点ｃの最大明るさレベルは、ディスプレイ白色点の所望の明るさを達成するのに必要なその色点の明るさ値である。
【０１０１】
図６Ａは、ピクセルを変調する原色として使用される、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った複数の候補の色点ｃの一例を示している。この実施形態では、図６Ａに示した例として、所望のディスプレイ白色点Ｗは、Ｄ６５が選択され、これはディスプレイ白色点の温度６５００°Ｋに相当する。図６Ａに示した例示的な候補の色点を含む、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った任意の色点ｃの色度座標（ｃx，ｃy）および明るさＬcは、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０のＲＧＢ発光層３３１Ｒ、３３１Ｇおよび３３１Ｂの色度座標（Ｒx，Ｒy）、（Ｇx，Ｇy）および（Ｂx，Ｒy）ならびに明るさ（ＬR，ＬG，ＬB）によって決定され、これは以下の式２−３、２−４および２−５で表される。
【０１０２】
【表２】
2021523399.tif 000006
【０１０３】
先に説明したように、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０の発光ＲＧＢ層３３１Ｒ、３３１Ｇおよび３３１Ｂそれぞれがピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿った各色点ｃで同時に放出する色の割合（αc，βc，γc）は、ピクセル２３０の注入電流レベルｉcまたは同じことだが、先に説明したように、その対応する駆動電圧値ｖcによって異なる。したがって、上記の式２−５内の色点ｃの添え字が付いた明るさ値（ＬR，ＬG，ＬB）cは、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０の発光ＲＧＢ層３３１Ｒ、３３１Ｇおよび３３１Ｂそれぞれが、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った色点ｃに対応する駆動電圧値ｖc明るさ（ＬR，ＬG，ＬB）を呈するという意味である。
【０１０４】
通常、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０を構成しているものと同様の半導体発光ヘテロ接合ダイオードの明るさは、ダイオード接合部全体にわたる注入電流レベルに直接比例し、これは、ダイオード（ｉ，ｖ）の式によってダイオードの電圧駆動レベルにも関係している。
【０１０５】
図６Ｂは、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさ（または輝度）をその駆動電圧に関連付けたものを示している。図６Ｂの曲線６２０は、式２−３で表した明るさ（または輝度）Ｌcを示し、対応する全デューティサイクルの電圧駆動レベルｖcでのＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿った色点ｃの例示的なセットに関連付けられている。
【０１０６】
Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０のスペクトル色域ＲＧＢのコーナーの対応する明るさは、図６Ｂの曲線６２０上にある文字Ｒ、ＧおよびＢのそれぞれで表記され（示され）、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿った色点ｃの中間の明るさも示されている。また、先に説明したように、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った発光の軌跡、およびそれに伴い図６Ａに示したスペクトル軌跡６１０に沿った色度は、ダイオード接合部全体にわたる注入電流レベルに直接関係し（または注入電流レベルによって制御され得る）、これは、ダイオード（ｉ，ｖ）の式によってダイオードの電圧駆動レベルに関係している。そのため、図６Ａの曲線６１０および図６Ｂの曲線６２０で示したように、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０からの発光は、式２−４で表されるように、ピクセル２３０の電圧駆動レベルｖcに関連して色度がピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿ってＲ→Ｇ→Ｂへと変化することに加え、式２−３で表されるように、明るさが、ピクセル２３０のスペクトル軌跡に沿ってピクセル２３０の電圧駆動レベルｖcに直接比例して増す。したがって、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った色点ｃの適切に設定された任意のセットがピクセル２３０の色および明るさを変調するための原色として使用される場合、ディスプレイ白色点の色度および明るさを設定するためには、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った各々の色点ｃに関連する経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴFが係数εc＝Ｌmax／Ｌc＝ＬB／Ｌcによって最初にスケーリングされ、これが、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った最大の明るさに対する色点ｃに関連する明るさを正規化する。これは、図６Ｂに示したように、Ｂの原色点に関する明るさである。そして第２に、式２−１で記載したように、ディスプレイ白色点ＬWの所望の明るさに関してさらにスケーリングされる。
【０１０７】
図６Ｂの曲線６３０で示した、結果として生じる経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴFは、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った対応する色点ｃの最大明るさ値を設定し、その際その点は、図６Ｂのスペクトル軌跡６１０に含まれる色域の内側にある任意の点の明るさおよび色を変調するための原色として使用される。スペクトルの色域ＲＧＢのコーナーに対応する結果として生じる経時的多重化率ｔR、ｔGおよびｔBは、図６Ｂの曲線６３０上に表記した（または示した）ように、ディスプレイ用の標的の白色点として使用される所望の白色点の明るさを生成するために用いられる経時的多重化率であり、これは、図６Ｂの曲線６３０で示した例のＤ−６５となるように設定される。
【０１０８】
標的のディスプレイ白色点の明るさを生成するスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーに対応する経時的多重化率ｔR、ｔGおよびｔBを用いるほか、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った色点ｃの適切に設定したセットの経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴF（図６Ｂの曲線６３０に図示）は、標的のディスプレイ白色点の明るさを生成するために用いることもできる。１つの実施形態では、標的のディスプレイ白色点の明るさを生成するためにピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った色点ｃのセットを設定する基準は、スペクトルの色域ＲＧＢのコーナーのうちの１つのみと、設定したスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーから標的の白色点まで広がる十字の色域線とピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０との交点にあるピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った色点ｃを設定することである。例えば図６Ａに見られるように、青色（Ｂ）の色域のコーナーと、青色（Ｂ）の域のコーナーから標的のディスプレイ白色点Ｗまで延びている図６Ａの線６４０の交点にある色点Ｙとを一緒に、図６Ｂの曲線６３０に示した対応する経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴFで用いて標的のディスプレイ白色点の明るさを生成することができる。
【０１０９】
別の実施形態では、標的のディスプレイ白色点の明るさを生成するためにピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った色点ｃのセットを設定する基準は、標的のディスプレイ白色点を含む任意の色域コードとピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０との交点にあるピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った任意の色点の対（ｃ1，ｃ2）を設定することである。例えば図６Ａに見られるように、標的のディスプレイ白色点Ｗを通っている色域コードがピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０と交差する場合のピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った２つの色点の対（ｃ1，ｃ2）を、図６Ｂの曲線６３０で示した対応する経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴFで用いて標的のディスプレイ白色点の明るさを生成することができる。
【０１１０】
色域ＲＧＢのコーナーを用いて標的のディスプレイ白色点Ｗを必要な明るさで合成する実施形態では、３つのピクセル駆動電圧レベルを図６Ｂの曲線６３０で示した多重化率ｔR、ｔGおよびｔBで経時的に多重化する必要があるが、後半の２つの実施形態では、標的のディスプレイ白色点Ｗを必要な明るさで合成するためには、２つのピクセル駆動電圧レベルのみを対応する多重化率ｔcで経時的に多重化する必要があることがわかる。
【０１１１】
ディスプレイの色点の変調
Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０によって変調すべき色（または色度）がピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った任意の点にある場合、それに対応する電圧レベルを設定してピクセル２３０を駆動することによってその色を変調できる。そのＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０に対して変調するのに必要な明るさは、対応する経時的多重化率を、図６Ｂの曲線６３０で示しているその色点の標的の白色点の経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴFに対してスケーリングすることによって変調される。例えば、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するためにその色点で最大限の明るさが必要な場合は、図６Ｂの曲線６３０で示しているそれに対応する白色点の経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴFの最大限の値を用いてＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調する。同じように、例えば、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するためにその色点で０．７５、０．５または０．２５の明るさが必要な場合は、図６Ｂの曲線６３０で示しているそれに対応する白色点の経時的多重化率ｔc＝Ｔmc／ＴFを０．７５、０．５または０．２５それぞれの係数でスケーリングしてＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調する。
【０１１２】
Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０によって変調すべき色（または色度）がピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０の色域内側の任意の点Ｐにある場合、図６Ｂに示したそれに対応する経時的多重化率（ｔR，ｔG，ｔB）でのスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーのピクセル２３０の駆動電圧レベル（ｖR，ｖG，ｖB）を設定することによってその色を変調でき、これらの経時的多重化率は、図６Ｃに示したように、ピクセル２３０のスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーの色度座標に対して変調すべきピクセルの色Ｐの正規化した色度の隔たりでスケーリングされる。
【０１１３】
この場合、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０に対して変調すべき必要な明るさは、結果として生じるスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーの経時的多重化率を、変調すべき明るさ値と標的の白色点に対して対応する明るさ値との比でさらにスケーリングすることによって変調される。例えば、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するためにその色点Ｐで最大限の明るさが必要な場合は、結果として生じるスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーの経時的多重化率の最大限の値を用いて、変調した色度でのＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調する。同じように、例えばＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するために、変調した色度で０．７５、０．５または０．２５の明るさが必要な場合は、結果として生じるスペクトルの色域ＲＧＢのコーナーの経時的多重化率の最大限の値を０．７５、０．５または０．２５それぞれの係数でさらにスケーリングして、変調した色度でのＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調する。
【０１１４】
ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０の内側の色域内の任意の点ＰにあるＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の色（または色度）を変調する別の実施形態では、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿っていて、図６Ｂに示した経時的多重化率（ｔc1，ｔc2）に対応している色点の対（ｃ1，ｃ2）で色域コード６５０と交差している、図６Ｄに示した色点の対（ｃ1，ｃ2）に対応しているピクセル２３０の駆動電圧レベル（ｖc1，ｖc2）を設定することによってその色を変調でき、経時的多重化率は、図６Ｄに示したように、２つの色点（ｃ1，ｃ2）の色度座標に対して変調すべきピクセルの色Ｐの正規化した色度の隔たりでスケーリングされる。この場合、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０に対して変調すべき必要な明るさは、結果として生じる２つの色点（ｃ1，ｃ2）の経時的多重化率を、変調すべき明るさ値と図６Ｂの曲線６３０で示した標的の白色点に対して対応する明るさ値との比でさらにスケーリングすることによって変調される。
【０１１５】
例えば、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するために色点Ｐで最大限の明るさが必要な場合は、２つの色点（ｃ1，ｃ2）の結果として生じる経時的多重化率の最大限の値は、変調した色度でＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調するのに用いられる。同じように、例えば、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するために、変調した色度で０．７５、０．５または０．２５の明るさが必要な場合は、２つの色点（ｃ1，ｃ2）の結果として生じる経時的多重化率の最大限の値を０．７５、０．５または０．２５それぞれの係数でさらにスケーリングして、変調した色度でのＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調する。
【０１１６】
ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０の内側の色域内の任意の点ＰにあるＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の色（または色度）を変調する別の実施形態では、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿っていて、図６Ｂに示した経時的多重化率（ｔc'1，ｔc'2）に対応している色点の対（ｃ’1，ｃ’2）で色域最少幅コード６５５と交差している、図６Ｅに示した色点の対（ｃ’1，ｃ’2）に対応しているピクセル２３０の駆動電圧レベル（ｖc'1，ｖc'2）を設定することによってその色を変調でき、これらの経時的多重化率は、図６Ｄに示したように、２つの色点（ｃ’1，ｃ’2）の色度座標に対して変調すべきピクセルの色Ｐの正規化した色度の隔たりでスケーリングされる。
【０１１７】
この場合、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０に対して変調すべき必要な明るさは、結果として生じる２つの色点（ｃ’1，ｃ’2）の経時的多重化率を、変調すべき明るさ値と図６Ｂの曲線６３０で示した標的の白色点に対して対応する明るさ値との比でさらにスケーリングすることによって変調される。例えば、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するために色点Ｐで最大限の明るさが必要な場合は、色点の対（ｃ’1，ｃ’2）の結果として生じる経時的多重化率の最大限の値は、変調した色度でＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調するのに用いられる。同じように、例えば、Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０で変調するために、変調した色度で０．７５、０．５または０．２５の明るさが必要な場合は、色点の対（ｃ’1，ｃ’2）の結果として生じる経時的多重化率の最大限の値を０．７５、０．５または０．２５それぞれの係数でさらにスケーリングして、変調した色度でのＭ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の明るさを変調する。
【０１１８】
色域ＲＧＢのコーナーを用いてディスプレイの点Ｐを必要な明るさで変調する実施形態では、３つのピクセル駆動電圧レベルを図６Ｂの曲線６３０で示した多重化率ｔR、ｔGおよびｔBで経時的に多重化する必要があるが、後半の２つの実施形態では、ディスプレイの点Ｐを必要な明るさで変調するためには、２つのピクセル駆動電圧レベルのみを対応する多重化率ｔcで経時的に多重化する必要があることがわかる。
【０１１９】
最少幅色域コード６５５とピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０との交点で決まる色点の対（ｃ’1，ｃ’2）を用いてディスプレイの点Ｐを必要な明るさに変調する実施形態では、最少幅色域コード６５５の位置は、色点（ｃ’1，ｃ’2）の色度座標を一様に規定する（すなわち特定する）。したがって、ディスプレイの点Ｐの色度を指定する際は、ディスプレイの点Ｐと、ディスプレイの点Ｐからコード幅に対して正規化したコードの終わりの色点（ｃ’1，ｃ’2）までの色度の隔たりとを含む色域６１０内にある最少幅色域コード６５５の位置のみを指定するだけでよい。
【０１２０】
正規化したコードの色度の隔たりは、色域コードの幅内にあるディスプレイの点Ｐの位置を色点の対（ｃ’1，ｃ’2）に対して指定するが、色域６１０内の最少幅色域コード６５５の位置は、色点の対（ｃ’1，ｃ’2）を特定する。そのため、それに対応するピクセル２３０の駆動電圧レベル（ｖc'1，ｖc'2）およびそれに対応する経時的多重化率（ｔc'1，ｔc'2）も、正規化したコードの色度の隔たりでスケーリングした場合は、ディスプレイの点Ｐの指定された色度を生み出す。ディスプレイの点Ｐの指定した明るさは、結果として生じる経時的多重化率（ｔc'1，ｔc'2）を、変調すべき明るさ値と図Ｂの曲線６３０で示した標的の白色点に対して対応する明るさ値との比でさらにスケーリングすることによって変調される。
【０１２１】
入力データの変換
前の実施形態では、ディスプレイの色点Ｐの色および明るさを変調するには、２つの色度に関する値および明るさに関する値の詳細が必要である。１つ目の色度値は、最少幅コード６５５内の色点Ｐの位置で、２つ目の色度値は、ピクセル２３０の色域６１０内の最少幅色域コード６５５の位置である。明るさに関する値は、ディスプレイ白色点Ｗの明るさに対するディスプレイの点Ｐの明るさを指定する。これらの色度と明るさに関する値は、ディスプレイ入力データから抽出され、このデータは通常、ディスプレイの色点Ｐに対して指定され、また、例えばＣＩＥｘｙＹ色空間の規格の場合のように２つの色度座標の値（ｘ，ｙ）および明るさＹに関しても指定される。ピクセル２３０の色域６１０内の最少幅色域コード６５５の位置は、色域のＲの頂点からＢの頂点を通って色域のＧの頂点まで延びる主要色域コードの色度の隔たりに対するその位置に関して指定される。
【０１２２】
あるいは、ディスプレイの色点Ｐの色度座標は、２つの軸に対して規定されてよい。１つ目の軸は、色域のＲの頂点からＢの頂点まで延びる主要色域コードで、２つ目の軸は、色域のＧの頂点から伸びてディスプレイ白色点Ｗを通って主要色域コードの軸と交差する線である。ＣＩＥｘｙＹ色空間またはＲＧＢの規格であってよい入力データフォーマットの変換は、例えば、設定した変換マトリクスに基づいて入力データをこの実施形態の色空間の１つに変換する色空間変換動作（図４Ｃの処理ブロック４６１）を介して行う。
【０１２３】
色域の制御
Ｍ−ＱＰＩイメージャのピクセル２３０の表示色域は、ＮＴＳＣまたはＨＤＴＶの色域などの標準の表示色域に合うように、またはビデオフレーム入力の表示色域に動的に適応するように調整できる（米国特許第８，０９８，２６５号および同第９，５２４，６８２号）。いずれの場合でも、指定した経時的多重化率でディスプレイ白色点Ｗを調整することが専門であるディスプレイのピクセル２３０変調フレームに追加のタイムスロットが追加される。白色点Ｗの経時的多重化は、追加された白色点Ｗの経時的多重化率と同じ率で白色点Ｗに向かって変調されるピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿って色点ｃの色度をシフトさせる。
【０１２４】
ディスプレイ白色点Ｗを必要な比率で追加することは、色点ｃの逆の色域の色点ｃ’を適切な経時的多重化率で変調することによって達成される。これは、色域の色点ｃ’が追加された比率に色点ｃの経時的多重化率の一部を合わせることで、色点ｃの色度を白色点Ｗに向かって必要な量だけシフトさせるのに必要な白色点Ｗの比率になるように実施される。これにより今度は各色点の変調期間が、スペクトルの色域の色点ｃとその逆の色域の色点ｃ’とのある特定の経時的混合比で構成されるようになり、変調した色点ｃを白色点Ｗに向かって、２つの色点（ｃ，ｃ’）の経時的混合比に比例する量だけ調整することが可能になる。
【０１２５】
ピクセル２３０の対応する２つの電圧駆動レベル（ｖc，ｖc'）を必要とするこの色調整方法により、ピクセル２３０の２つの対応する電圧駆動レベル（ｖc，ｖc'）の経時的多重化率に比例する比率で白色点Ｗに向かって変調されるピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０に沿った色点ｃの色度の調整が可能になる。この色度調整方法により、例えばＮＴＳＣまたはＨＤＴＶ色域などの標準の表示色域に合致するようにピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０によって画定される色域を調整することが可能になる。同じように、この色度調整方法を用いることで、ピクセル２３０のスペクトル軌跡６１０によって画定される色域をビデオのフレーム単位で動的に適応させて入力ビデオフレームの色域に合致させることができる。後者の方法では、ディスプレイの明るさが増すとともに、圧縮された入力ビデオフォーマットを利用する能力が増すことになり、このフォーマットでは、変調したディスプレイのピクセル２３０の色度値を表現するためにより短いワード長を使用する。
【０１２６】
前述した実施形態の説明で強調した、例えば３００のような色調整可能な半導体発光ダイオード構造の色および明るさを制御する方法は、発光ダイオード構造から放出される光の色がその注入電流によって決まる任意の色調整可能な半導体発光ダイオード構造に適用可能であることがわかる。
【０１２７】
このような色調整可能な半導体発光ダイオード構造は通常、複数、少なくとも２つの活性サブ領域に組み込まれ、その場合、そのような各活性サブ領域へのキャリア注入は、キャリア注入レベルによって決まり、それによって色調整可能な半導体発光ダイオード構造から放出される光の光束および色度は、各々の構造の活性サブ領域から放出される光の光束および色度それぞれの注入電流に依存する加重和である。
【０１２８】
前述の詳細な説明では、本開示を具体的な実施形態を参照して説明した。ただし、これらの実施形態には、本開示の広義の趣旨および範囲を逸脱しない限り、様々な修正および変更を加えることができることは自明であろう。したがって、設計の詳細および図面は、限定的な意味ではなく説明的な意味にとらえるべきものである。当業者は、本開示の一部が実施形態について上記で説明した実施とは異なる方法で実施され得ることを認識するであろう。
【０１２９】
例えば、当業者は、フォトニック半導体構造２１０を構成している活性サブ領域層３３０の数、多層の色調整可能な発光ダイオード構造３００の特定の設計詳細、ピクセル２３０の特定の設計詳細、Ｍ−ＱＰＩイメージャ２００の半導体製造手順の特定の詳細、および画像データの入力をＭ−ＱＰＩイメージャ２００に結合するのに必要なデジタル制御および処理の特定の設計詳細に多くの変更を加えて本開示のＭ−ＱＰＩイメージャ２００のピクセル２３０を実施できることがわかるであろう。当業者はさらに、上記の本開示の実施形態の詳細には、本開示の基礎となる原理および教示から逸脱しない限り、多くの変更を加えてよいことを認識するであろう。したがって、本開示の範囲は、以下の請求項に限って決定されるべきである。
【図１】
2021523399.tif 000007
【図２Ａ】
2021523399.tif 000008
【図２Ｂ】
2021523399.tif 000009
【図２Ｃ】
2021523399.tif 000010
【図２Ｄ】
2021523399.tif 000011
【図２Ｅ】
2021523399.tif 000012
【図２Ｆ】
2021523399.tif 000013
【図２Ｇ】
2021523399.tif 000014
【図３Ａ】
2021523399.tif 000015
【図３Ｂ】
2021523399.tif 000016
【図３Ｃ】
2021523399.tif 000017
【図３Ｄ】
2021523399.tif 000018
【図３Ｅ】
2021523399.tif 000019
【図３Ｆ】
2021523399.tif 000020
【図３Ｇ】
2021523399.tif 000021
【図３Ｈ】
2021523399.tif 000022
【図４Ａ】
2021523399.tif 000023
【図４Ｂ】
2021523399.tif 000024
【図４Ｃ】
2021523399.tif 000025
【図４Ｄ】
2021523399.tif 000026
【図４Ｅ】
2021523399.tif 000027
【図４Ｆ】
2021523399.tif 000028
【図４Ｇ】
2021523399.tif 000029
【図４Ｈ】
2021523399.tif 000030
【図４Ｉ】
2021523399.tif 000031
【図４Ｊ】
2021523399.tif 000032
【図５】
2021523399.tif 000033
【図６Ａ】
2021523399.tif 000034
【図６Ｂ】
2021523399.tif 000035
【図６Ｃ】
2021523399.tif 000036
【図６Ｄ】
2021523399.tif 000037
【図６Ｅ】
2021523399.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月7日(2021.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル式にアドレス指定可能な多色マイクロピクセルのアレイであって、各ピクセル構造が、単一のフォトニック層を含む放出性でモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造を有する、アレイ
を含む固体イメージャであって、
前記マイクロピクセルのそれぞれの色および明るさ値は、それぞれの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造の固有のキャリア注入の駆動電流レベルおよび／またはオン／オフデューティサイクルを制御することによって変調され、
各マイクロピクセルは、前記ピクセルが、それぞれのモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造に関連するユーザ規定の色のセットを、放出される色に対するユーザ規定の明るさまたは所定のオン／オフデューティサイクルで放出できるように個別にアドレス指定可能であり、
各々の前記マイクロピクセルダイオードまたは構造は、一様にアドレス指定可能な電気接点および共通の金属接点を有し、前記共通の金属接点は、ピクセルの全アレイまたは複数のアレイどうしで共通される、
固体イメージャ。
【請求項２】
各マイクロピクセル構造は、前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造を有するマイクロ光キャビティを有し、
前記マイクロピクセルが生成する前記光は、前記固体イメージャの平面に対して垂直に放出され、
前記マイクロピクセルが生成する前記光は、前記ピクセルから生成される前記光を抽出してコリメートするように構成された複数の鉛直導波路を介してイメージャの平面に対して垂直に放出され、
前記マイクロピクセル構造はさらに、前記マイクロピクセルから放出された前記光をさらにコリメートして方向変調するように構成されたピクセルレベルのマイクロ光学要素を含む、
請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項３】
前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な発光ダイオードまたは構造は、絶縁性半導体材料と反射性金属クラッドとからなる側壁で光学的かつ電気的に隔てられ、
前記ピクセルの金属接点は、反射性であり、ピクセルの光学マイクロキャビティを画定する前記ピクセルの反射性側壁と一緒にあり、
前記ピクセルの側壁の反射性金属クラッドは、前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な発光ダイオードまたは構造に駆動電流を経路指定する電気相互接続部として使用される、
請求項２に記載の固体イメージャ。
【請求項４】
前記イメージャは、電気信号を経路指定して生成する駆動論理回路を制御するように電気結合され、前記電気信号は、前記ピクセルのモノリシックの色調整可能な半導体発光ダイオードまたは構造の発光を個別に制御し、
前記制御駆動論理回路は、請求項１に記載の前記ピクセルのアレイに接合される制御駆動論理アレイを規定する複数の制御駆動論理からなり、
前記ピクセルアレイおよびそれに関連する制御駆動論理アレイは両方とも、前記イメージャの光開口部のエッジ内にあり、
前記イメージャの制御駆動論理回路の外部電気インターフェースは、前記制御駆動論理回路の背面にシリコン貫通電極アレイとして作製される、
請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項５】
放出性でモノリシックの色調整可能なピクセルの前記アレイは、前記ピクセルの上面から実質的にランベルト光を直接放出するか、あるいは前記複数の導波路から準ランベルト光を放出するように構成され、
前記ピクセルの準ランベルト発光パラメータは、前記ピクセルの放出開口部全体にわたる前記ピクセルの複数の導波路の深さ、直径およびパターンを設定することによって記載され、
前記ピクセルの放出開口部全体にわたる前記ピクセルの複数の導波路の深さ、直径およびパターンは、前記ピクセルからの発光をコリメートするように設定される、
請求項２に記載の固体イメージャ。
【請求項６】
前記ピクセルからの発光をさらにコリメートするか方向変調するように構成された開口部のマイクロ光学要素またはレンズをさらに備え、
前記マイクロピクセル開口部のマイクロ光学要素またはレンズの方向変調は、前記ピクセルのアレイ発光をテレセントリックか非テレセントリックいずれかの発光パターンにさらに構成するように設定される
請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項７】
フォトニック発光半導体構造およびデジタル半導体構造をさらに有し、前記フォトニック発光半導体構造は、複数の放出性の色調整可能な半導体発光マイクロピクセルからなり、前記デジタル半導体構造は、前記フォトニック半導体構造の前記複数のマイクロピクセルに電力および制御信号を提供するように構成されたデジタル駆動論理回路からなり、前記デジタル半導体構造は、電気駆動信号を前記ピクセルアレイの前記個々のピクセルに結合する上接触層と、前記外部電気駆動信号を前記固体イメージャに結合する背面接触層とを有する、請求項１に記載の固体イメージャ。
【請求項８】
前記フォトニック発光半導体層および前記デジタル半導体構造は、接合層を介して一つに接合され、前記イメージャの前記放出性の上側は、前記イメージャに接合された透明のカバー層で閉じ込められる、請求項７に記載の固体イメージャ。
【請求項９】
前記フォトニック発光半導体層の表面積は、前記デジタル半導体構造の表面積と実質的に等しく、外部電気信号を前記イメージャに接合するために前記イメージャの背面に配置されたマイクロボールグリッドアレイを有する、請求項７に記載の固体イメージャ。
【請求項１０】
前記フォトニック発光半導体層の表面積は、前記デジタル半導体構造の表面積と実質的に等しく、シリコン貫通電極のアレイを有して、前記イメージャ外部電気駆動信号を前記マイクロボールグリッドアレイから前記デジタル半導体構造のシリコン貫通電極アレイに結合する、請求項９に記載の固体イメージャ。
【国際調査報告】
2021523399.tif 000039
2021523399.tif 000040
2021523399.tif 000041