CN100514690C - 用于驱动发光二极管的方法及发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于驱动发光二极管的方法，其包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度的步骤。发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面。

Description

用于驱动发光二极管的方法及发光二极管
技术领域
本发明涉及用于驱动发光二极管的方法、发光二极管、用于驱动显示器的方法、显示器、用于驱动电子器件的方法、电子器件、用于驱动光学通信设备的方法，以及光学通信设备。特别地，本发明涉及用于驱动适于下述应用的发光二极管的方法，所述应用例如是各种包括基于InGaN/GaN的发光二极管的显示器。
背景技术
基于InGaN/GaN的发光二极管，特别是所具有的发射波长在能见区之内的基于InGaN/GaN的发光二极管，其发射波长(颜色)可以随驱动电流密度而变化。例如，日本未审查的专利申请公开No.2002-237619提议了一种利用该现象来驱动发光二极管以达到多色(polychromatic)发光的方法。
然而，这种发光二极管在被用于典型颜色的显示器时导致如下问题，即难于提供其中颜色随电流密度而变化的所需颜色范围。也可以根据随电流密度而变化的颜色和颜色范围来变换色度。然而，因为只有变化的颜色范围的公共部分被用于精确的颜色再现，所以该方法产生比正常状态更窄的颜色范围。另外，取决于像素数目和帧速率的对巨大计算量的需要使信号处理电路和驱动电路承受高负载。
为了防止在发光二极管被用于显示器时发生这种现象，例如，日本未审查的专利申请公开号No.2003-22052公开了一种在保持恒定电流密度以防止颜色变化的同时通过脉冲驱动(例如脉冲密度调制(PDM)或脉冲宽度调制(PWM))来生成亮度信号的技术。同样，日本未审查的专利申请公开号No.2005-260116公开了一种在利用颜色随电流密度而变化这一现象控制电流密度以提供所需发射波长的同时仅通过脉冲驱动来调节亮度的技术。当在制造后可具有颜色变化的发光二极管被应用于高质量显示器时，这些技术是有效的。然而，对发射波长和亮度的调节的需要造成检查/调节成本的增加。另外，这些技术使信号处理电路和驱动电路承受高负载。另外，扩展亮度的动态范围需要使用高频电路来增大脉冲频率。
例如，美国专利No.6,635,904提议利用邻晶衬底(vicinal substrate)作为生长衬底来生产基于InGaN/GaN的发光二极管，所述邻晶衬底例如是具有相对于c平面倾斜0.2°至2°的角度的主表面的蓝宝石衬底。根据该公布，发光二极管具有改善的发光效率和同源性(homology)。然而，该公布没有公开或建议发光二极管的发射波长的电流密度依赖性或描述应用于显示器的优点。
发明内容
基于InGaN/GaN的发光二极管的发射波长随驱动电流密度而变化的现象对包括具有含铟量子阱结构的发光层的发光二极管而言是常见的。该现象是由铟原子的局部载流子和因纤锌矿型(wurtzite)晶体结构中的晶格失配引起的压电场产生的。特别地，该现象在发射绿光时显得显著。一般而言，该现象对于用于以宽颜色范围为特征的显示器时的具有500至550nm特别是515至535nm发射波长的发光二极管很严重。
因此，希望提供一种用于驱动发光二极管的方法和一种发光二极管，该发光二极管的发射波长随驱动电流密度而发生的变化显著减小，并且还希望提供一种用于驱动显示器的方法和一种利用这种方法来驱动发光二极管的显示器。
另外，希望提供一种用于驱动电子设备的方法、一种电子设备、一种用于驱动光学通信设备的方法以及一种利用该方法来驱动发光二极管的光学通信设备。
经过透彻的研究，发明人已经发现：包括具有含铟量子阱结构的发光层的发光二极管(例如基于InGaN/GaN的发光二极管，特别是绿色发光二极管)的发射波长在特定电流密度范围(即等于或者小于20A/cm2)中的电流密度的情况下基本不变化，如果二极管是利用具有特定倾角的邻晶衬底作为生长衬底的话，所述邻晶衬底即具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面的衬底(在m轴方向上倾斜，同时a轴是旋转轴)。该特性可被用来稳定包括发光二极管的例如显示器、电子设备和光学通信设备的发射波长(颜色)。特别地，包括这种发光二极管的显示器可以通过电流幅度调节来形成亮度信号的一部分，因为在上面的电流密度范围内随着电流密度变化不发生颜色变化。显示器因此可以提供扩展的动态范围、减小的驱动频率，以及稳定且宽的颜色再现范围。
根据本发明一个实施例的一种用于驱动发光二极管的方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度的步骤。发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面。
发光层的主表面优选相对于c平面以0.3°至1°的角度倾斜，以减小发射波长随电流密度的变化。另外，根据同一观点，优选用等于或者小于10A/cm2(更优选的是等于或者小于5A/cm2，再优选的是等于或者小于2A/cm2)的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度。
如有必要，脉冲驱动(例如PDM或PWM)可被与利用电流密度的亮度调节结合使用。
虽然发光二极管的发射波长是根据需要来选择的，但是该实施例对于绿色波长区域(即500至550nm例如515至535nm的发射波长)特别有效。
具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体最一般而言是AlxByGal-x-y-zInzAsuNl-u-vPv(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤u≤1，0≤v≤1，0≤x+y+z<1，并且0≤u+v<1)，更具体而言是AlxByGal-x-y-zInzN(其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，并且0≤x+y+z<1)，典型的是AlxGal-x-zInzN(其中0≤x≤1并且0≤z≤1)，其示例包括GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN和AlGaInN。
发光层(有源层)的含铟量子阱结构可以是单量子阱结构或多量子阱结构。量子阱层和阻挡层的组合是根据例如发射波长来选择的。
邻晶衬底可被用作生长衬底来生长发光层，该发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面。所使用的邻晶衬底可以是例如具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面的蓝宝石衬底、SiC衬底、氮基III-V族化合物半导体衬底(例如GaN衬底、InAlGaN衬底，或者AlN衬底)或ZnO衬底。可以通过使发光层、p型层和n型层在邻晶衬底上生长来形成上面的发光二极管结构。这些层可以通过多种外延生长法来生长，这些外延生长法包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延或卤化物气相外延(HVPE)，以及分子束外延(MBE)。
根据本发明另一个实施例的发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.3°至1°的角度倾斜的主表面。
因为发光层的主表面相对于c平面以0.3°至1°的角度倾斜，所以发射波长随电流密度的变化可以被显著地减小。
对于其他特征，对用于驱动发光二极管的方法的以上描述适用于该实施例。
根据本发明另一个实施例的一种用于驱动包括至少一个发光二极管的显示器的方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度的步骤。发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面。
可以通过用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度结合脉冲驱动(例如PWM)形成显示器的屏幕亮度信号的一部分来调节发光二极管的亮度。各种显示器可被用作显示器，包括：发光二极管显示器，其包括像素矩阵，其中的每个像素包括发光二极管(有源矩阵或无源矩阵显示器)；透射式或半透射式液晶显示器，其包括背光和液晶面板，背光包括至少一个发光二极管(发光二极管背光)；投影显示器，其包括光源和光阀，光源包括至少一个发光二极管(发光二极管光源)。所使用的光阀例如可以是透射式或反射式的液晶面板，或者是诸如数字微镜设备(DMD)这样的微型机电系统(MEMS)。
以上的发光二极管显示器或发光二极管背光包括例如红色、绿色和蓝色发光二极管，每个组成一个单元(像素)。例如，所使用的红色发光二极管可以但不限于由基于AlGaInP的半导体组成，并且所使用的绿色和蓝色发光二极管可以但不限于由氮基III-V族化合物半导体组成。
对于其他特征，对用于驱动发光二极管的方法的以上描述适用于该实施例。
根据本发明另一个实施例的显示器包括至少一个发光二极管，所述发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.3°至1°的角度倾斜的主表面。
对于其他特征，对用于驱动发光二极管的方法、发光二极管和用于驱动显示器的方法的以上描述适用于该实施例。
根据本发明另一个实施例的一种用于驱动包括至少一个发光二极管的电子设备的方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度的步骤。发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面。
电子设备基本可以是任何便携或固定的包括至少一个发光二极管的设备，所述发光二极管用于诸如液晶显示器的背光照明、显示和照明这样的应用。这种电子设备的示例包括上述类型、蜂窝式电话、移动设备、机器人、个人计算机、车内设备和各种家用电器的显示器。
对于其他特征，对用于驱动发光二极管的方法和用于驱动显示器的方法的以上描述适用于该实施例。
根据本发明另一个实施例的电子设备包括至少一个发光二极管，所述发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.3°至1°的角度倾斜的主表面。
对于其他特征，对用于驱动发光二极管的方法、发光二极管、用于驱动显示器的方法和用于驱动电子设备的方法的以上描述适用于该实施例。
根据本发明另一个实施例的一种用于驱动包括至少一个发光二极管的光学通信设备的方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度的步骤。发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面。
可以用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节光学通信设备的发光二极管的亮度，以生成光学信号，这些光学信号可以随后被通过例如诸如塑料光纤这样的光纤被传输以用于光学通信。这允许利用稳定的发射波长来进行高度可靠的光学通信或传输。
对于其他特征，对用于驱动发光二极管的方法的以上描述适用于该实施例。
根据本发明另一个实施例的光学通信设备包括至少一个发光二极管，所述发光二极管包括p型层、n型层和发光层，发光层被布置在p型层与n型层之间并且具有含铟量子阱结构。p型层、n型层和发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体。发光层具有相对于c平面以0.3°至1°的角度倾斜的主表面。
对于其他特征，对用于驱动发光二极管的方法和用于驱动光学通信设备的方法的以上描述适用于该实施例。
在根据本发明的以上实施例的用于驱动发光二极管的方法、用于驱动显示器的方法、用于驱动电子设备的方法和用于驱动光学通信设备的方法中，发光层的主表面相对于c平面倾斜0.25°至2°的角度。因此，通过用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度，可以显著地减小发射波长随电流密度的变化。
在根据本发明的以上实施例的发光二极管、显示器、电子设备和光学通信设备中，发光层的主表面相对于c平面倾斜0.3°至1°的角度。因此，通过用等于或者小于例如20A/cm2的范围内的电流密度来调节发光二极管的亮度，可以显著地减小发射波长随电流密度的变化。
根据本发明的以上实施例，不管驱动电流密度如何，都可以利用稳定的发射波长来驱动发光二极管。包括发光二极管的显示器因此可以实现宽动态范围、稳定的颜色再现和宽颜色再现范围。特别地，用于驱动发光二极管的方法可被与PWM结合使用，以实现比仅通过PWM实现的动态范围更宽的动态范围、PWM频率的减小和例如亮度校正时的简化的信号处理。这实现了信号处理电路和驱动电路上的负载的降低。从而，本发明的实施例可以有许多方面的优点，这些方面包括灰阶、颜色再现范围、成本和信号处理。另外，包括发光二极管的光学通信设备可以实现稳定的发射波长，以实现非常可靠的光学通信或传输。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的基于GaN的发光二极管的截面图；
图2是图示了根据本发明第一实施例的用于生产基于GaN的发光二极管的方法的截面图；
图3是图示了本发明的示例中的用于生产基于GaN的发光二极管的方法的截面图；
图4是图示了本发明的示例中的用于生产基于GaN的发光二极管的方法的另一个截面图；
图5是图示了本发明的示例中的用于生产基于GaN的发光二极管的方法的另一个截面图；
图6是示出了比较示例中的基于GaN的发光二极管的发射峰值波长的电流密度依赖性的示图；
图7是示出了本发明的示例中的基于GaN的发光二极管的发射峰值波长的电流密度依赖性的示图；
图8是示出了本发明的示例中的另一基于GaN的发光二极管的发射峰值波长的电流密度依赖性的示图；
图9是示出了本发明的示例中的另一基于GaN的发光二极管的发射峰值波长的电流密度依赖性的示图；
图10是示出了比较示例中的基于GaN的发光二极管的电致发光光谱的示图；
图11是示出了本发明的示例中的基于GaN的发光二极管的电致发光光谱的示图；
图12是根据本发明第二实施例的透射式液晶显示器的示意图；
图13是根据本发明第三实施例的投影显示器的示意图；
图14是根据本发明第四实施例的投影显示器的示意图；
图15是根据本发明第五实施例的无源矩阵发光二极管显示器的示意图；以及
图16是根据本发明第六实施例的有源矩阵发光二极管显示器的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来描述本发明的实施例。
将对本发明的第一实施例进行描述。
图1图示了根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。
在图1中，基于GaN的发光二极管包括n型层12、p型层13，以及布置在n型层12与p型层13之间的发光层11。发光层11具有含铟量子阱结构。n型层12、p型层13和发光层11中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的基于GaN的化合物半导体晶体并且具有相对于c平面以角度θ倾斜的主表面，角度θ是0.25°至2°并且优选例如是0.3°至1°。虽然未示出，但是n型电极和p型电极被布置为分别与n型层12和p型层13欧姆接触。
发光层11可以具有单个量子阱结构或者多个量子阱(MQW)结构(通常包括2至10个量子阱层，并且不多于20层)。对于MQW结构，发光层11包括厚度例如为1个原子至100nm(通常是1至10nm)的量子阱层和厚度为1个原子至200nm(通常是3至50nm)的阻挡层。量子阱层和阻挡层可以通过根据发射波长调节铝镓铟氮化物(AlGaInN)的成分来形成(例如，具有与绿光相对应的发射波长的量子阱层的铟含量通常是18％到30％)。作为典型示例，发光层11具有包括交替堆叠的InGaN层(量子阱层)和GaN层(阻挡层)的基于InGaN/GaN的MQW结构。
参照图2，可以通过利用诸如MOCVD这样的技术使n型层12、发光层11和p型层13在例如邻晶衬底21上顺序地生长来容易地生产基于GaN的发光二极管。作为替代，可以以上述顺序使p型层13、发光层11和n型层12在邻晶衬底21上顺序地生长。所使用的邻晶衬底21可以例如是具有相对于c平面以角度θ倾斜的主表面的蓝宝石、SiC或GaN衬底，角度θ是0.25°至2°并且优选例如是0.3°到1°。
根据第一实施例的基于GaN的发光二极管是在用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度调节其亮度的同时通过提供电流来驱动的。这使得基于GaN的发光二极管的发射波长随驱动电流密度而发生的变化显著地减小。用电流密度进行的亮度调节可以与通过脉冲驱动(例如PWM或PDM)进行的亮度调节可选地组合。
示例
参照图3，具有相对于c平面以角度θ倾斜的主表面的邻晶蓝宝石衬底31被用作邻晶衬底21，并且基于GaN的半导体层生长在其上以形成发光二极管结构，其中所述角度θ是0.2°、0.3°、0.4°和0.6°。
在图3中，每个邻晶蓝宝石衬底31被插入到MOCVD设备的反应器(reactor)中。邻晶蓝宝石衬底31的表面被在氢气氛中以1,050℃的衬底温度清洁10分钟。衬底温度然后被减低到500℃。氨(NH3)开始被供给到反应器中作为氮(N)源，并且三基甲镓(TMG)被供给作为镓(Ga)源以将低温生长的GaN缓冲层32沉积到20nm厚度。在停止供给TMG之后，衬底温度在氨被供给的同时上升到1,020℃。然后重新开始供给TMG，使得GaN层33开始生长。当GaN层33已经生长至1μm厚度时，甲烷硅被供给作为硅(Si)源以使硅掺杂n型GaN层34生长至2μm厚度。GaN层33和n型GaN层34的典型生长速率是4μm/h，并且硅的掺杂浓度被调节为大约5×1018/cm3。在停止供给TMG和甲烷硅之后，载气被从氢变成氮，同时衬底温度被降至大约700℃。
接着，基于InGaN/GaN的MQW发光层35如下所述在n型GaN层34上生长。参照图4，在衬底温度稳定之后，三乙基镓(TEG)开始被供给作为镓源以开始GaN层35a的生长，所述GaN层35a在n型GaN层34上充当阻挡层。当GaN层35a已经生长至预定厚度时，三甲基铟(TMI)被提供作为铟(In)源以使InGaN层35b生长至预定厚度，所述InGaN层35b充当量子阱层。然后停止供给TMI以使另一GaN层35a生长。在该示例中，生长了总共9个InGaN层35b，其每个包含大约23％的铟并且具有3nm的厚度，并且GaN层35a每个具有15nm的厚度。用于具有0.3°、0.4°和0.6°的角度θ的邻晶蓝宝石衬底31的生长温度比用于具有0.2°的角度θ的邻晶蓝宝石衬底31的生长温度低10℃，因为生长层中所捕获(trap)的铟的量随邻晶蓝宝石衬底31的倾角θ而变化。
虽然GaN层35a和InGaN层35b也可以以变化的生长温度生长或者间断地生长，但是它们在该示例中以恒定温度连续地生长。另外，充当阻挡层的GaN层35a可以具有周期性结构或者非周期性结构。
在最终(顶端)GaN层35a生长至5nm厚度之后，衬底温度被提高到850℃。参照回图3，三甲基铝(TMA)和二(环戊二烯基)镁(CP2Mg)被分别供给作为铝(AL)源和镁(Mg)源，以使镁掺杂p型AlGaN层36生长至20nm厚度。在p型AlGaN层36生长之后，除氨和载气(即氮)之外的源的供给被停止。p型AlGaN层36的铝浓度被调节至15％，并且其镁掺杂浓度被调节至5×1019/cm3。载气然后被变成氢，同时衬底温度被提高到900℃。TMG和CP2Mg开始被供给，以使镁掺杂p型GaN层37生长至180nm厚度。p型GaN层37的镁掺杂浓度被调节至1×1020/cm3。接着，在只有氨和载气被提供的情况下衬底温度被降低至600℃。在氨的供给被停止之后，晶片(即其上形成了包括基于GaN的半导体层的发光二极管结构的邻晶蓝宝石衬底31)以不高于100℃被从MOCVD设备中取出。
所取出的晶片被在氮气氛中以800℃退火十分钟，以激活p型AlGaN层36和p型GaN层37的p型掺杂剂(dopant)。
参照图5，预定的抗蚀图样(未示出)被通过光刻(lithography)形成在p型GaN层37上并且被用作掩膜以通过例如利用基于氯气的蚀刻气体的反应离子蚀刻(RIE)来执行对n型GaN层34、基于InGaN/GaN层的MQW发光层35、p型AlGaN层36和p型GaN层37的上部的台面蚀刻(mesa etching)。p型电极38然后通过例如剥离(lift-off)工艺被形成在p型GaN层37的台面部分上。p型电极38是由镍金薄膜形成的。n型电极39然后被形成在n型GaN层34的与台面部分邻晶的部分上。n型电极39是由钛铝薄膜形成的。
接着，晶片被通过例如劈裂(cleavage)切割成芯片。
发光二极管芯片可以可选地被树脂浇铸(resinmold)或安装在具有引线框(lead frame)和反光镜的封装上。
图6到图9示出了对基于GaN的发光二极管的发射峰值波长在0.06至600A/cm2的电流密度范围内的电流密度依赖性的测量结果。如上所述，基于GaN的发光二极管是通过形成发光层结构来生产的，所述发光层结构包括在角度θ为0.2°、0.3°、0.4°和0.6°的邻晶蓝宝石衬底31上生长的基于GaN的半导体层。对于θ＝0.2°，如图6所示，在以上电流密度范围内观察到接近40nm的大波长移位。对于θ＝0.3°，如图7所示，在2A/cm2、5A/cm2、10A/cm2和20A/cm2处分别观察到仅大约-3nm、大约-4nm、大约-7nm和大约-10nm的移位。对于θ＝0.4°，如图8所示，在大至2A/cm2处未观察到波长移位，并且在5A/cm2、10A/cm2和20A/cm2处分别观察到仅大约-4nm、大约-5nm和大约-7nm的移位。对于θ＝0.6°，如图9所示，在10A/cm2和20A/cm2处分别观察到仅大约-5nm和大约-7nm的移位。虽然没有数据被示出，但是对于θ＝0°(不倾斜)和0.1。观察到与θ＝0.2°类似的大波长移位，并且在θ＝1°的低电流密度处观察到与θ＝0.6°类似的小波长移位。该效果看来与生长InGaN层35b的表面上的原子步骤的条件相关联。还可以利用具有类似邻晶面的其他类型的衬底(包括邻晶SiC衬底和邻晶GaN衬底)来提供类似的效果。图10和11分别示出了具有0.2°和0.4°的角度θ的基于GaN的发光二极管的电致发光(EL)光谱，其分别具有大约520nm和大约515nm的峰值波长。
一般而言，电流密度被优选地控制在例如等于或者小于2A/cm2的范围之内，以在不导致任何波长移位的情况下驱动基于GaN的发光二极管。电流密度被优选地控制在例如等于或者小于5A/cm2的范围之内，以将波长移位抑制到人眼几乎辨认不出移位的水平(例如Δu′v′<0.01)。如果某种色差是可辨认的但是对于实际使用不严重或者如果微小的颜色补偿被结合使用，则电流密度被优选地控制在例如等于或者小于20A/cm2的范围之内。如果用这种范围内的电流密度变化来调节亮度，则可以抑制颜色移位的问题。另外，结合脉冲驱动(例如PWM或PDM)可以达到比以往更宽的亮度动态范围。该特征对显示器特别是以宽颜色再现范围和宽动态范围为特征的高质量显示应用是有利的。
如上所述，根据第一实施例的基于GaN的发光二极管包括具有相对于c平面倾斜0.25°至2°(优选例如0.3°到1°)的角度θ的主表面的发光层，并且发光二极管的亮度是用等于或者小于20A/cm2的范围之内的电流密度来调节的。这使基于GaN的发光二极管的发射波长随驱动电流密度而发生的变化显著减小，从而使发射波长稳定。特别地，还可以使绿光发射的发射波长稳定，绿光发射显著地易受到伴随电流密度的波长移位现象影响。从而，基于GaN的发光二极管和用于驱动该二极管的方法可被应用于绿色发光二极管，以提供能够进行高质量图像显示的发光二极管显示器。
将对本发明的第二实施例进行描述。在第二实施例中，将对包括发光二极管背光作为白光源的透射式液晶显示器进行描述。根据第一实施例的基于GaN的发光二极管和用于驱动该二极管的方法被应用于发光二极管背光的绿光发光二极管。
图12图示了根据第二实施例的透射式液晶显示器。
在图12中，透射式液晶显示器包括液晶面板51和布置在液晶面板背后的液晶显示器背光54，同时棱镜片52和漫射器53被布置在液晶面板51与液晶显示器背光54之间。
液晶显示器背光54包括单元矩阵，其中每个单元包括一个红色发光二极管55、两个绿色发光二极管56和57以及一个蓝色发光二极管58。纵向和横向上的单元的数目是根据需要而选择的。红色发光二极管55、绿色发光二极管56、绿色发光二极管57和蓝色发光二极管58分别具有凸透镜55a、56a、57a和58a，根据应用和光学设计可以用凹透镜或者具有复杂形状的其他类型的透镜来代替这些凸透镜。所使用的红色发光二极管55例如是基于AlGaInP的发光二极管。所使用的绿色发光二极管56和57是根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。所使用的蓝色发光二极管58例如是基于GaN的发光二极管。分别通过驱动电路59、60和61来驱动红色发光二极管55、绿色发光二极管56和57以及蓝色发光二极管59。通过背光控制器62来控制每个单元的驱动电路59、60和61，然后通过显示控制器63来控制背光控制器62。每个单元包括光学传感器64，用于对红色发光二极管55、绿色发光二极管56和57以及蓝色发光二极管58的发光强度进行感测。光学传感器64的输出被馈给到背光控制器62。
通过驱动电路65来驱动液晶面板51，然后通过显示控制器63来驱动驱动电路65。
在这种情况下，用在等于或者小于20A/cm2(优选等于或者小于10A/cm2)的范围内的电流密度来调节被用作绿色发光二极管56和57的根据第一实施例的基于GaN的发光二极管的亮度。另一方面，红色发光二极管55和蓝色发光二极管58的驱动电流密度不限于等于或者小于20A/cm2的范围。
该透射式液晶显示器根据例如整个屏幕和屏幕中的明暗区域的明暗度来控制发光二极管背光54的亮度，以达到扩展的动态范围和减小的功率消耗。虽然在相关领域中通常通过PWM来控制屏幕亮度，但是根据该实施例的透射式液晶显示器可以使用在等于或者小于20A/cm2(优选等于或者小于10A/cm2)的电流密度范围内的电流幅度调节，以控制发光二极管背光54中的单元中的红色发光二极管55、绿色发光二极管56和57以及蓝色发光二极管58。透射式液晶显示器因此可以通过结合PWM的亮度调节来提供显著扩展的动态范围。另外，透射式液晶显示器可以实现用于相同动态范围的脉冲驱动频率的减小。
将对本发明的第三实施例进行描述。在第三实施例中，投影显示器包括红色、绿色和蓝色发光二极管光源和包括透射式液晶面板的光阀。绿色发光二极管光源包括根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。
图13图示了根据第三实施例的投影显示器。
在图13中，投影显示器包括二向棱镜(dichroic prism)71、与该二向棱镜71的三个相应表面相邻的液晶面板72、73和74，以及与该二向棱镜71的另一表面相对布置的投影透镜78。液晶面板72、73和74是高温多晶硅薄膜晶体管(TFT)液晶面板。红色发光二极管面板75被布置在液晶面板72之后。绿色发光二极管面板76被布置在液晶面板73之后。蓝色发光二极管面板77被布置在液晶面板74之后。
红色发光二极管面板75包括在衬底75a上以矩阵布置的红色发光二极管75b。纵向和横向上的发光二极管75b的数目是按照需要来选择的。所使用的发光二极管75b例如是基于AlGaInP的发光二极管。发光二极管75b的p型层侧连接到布线电极75c，并且其n型层侧连接到透明电极75d。凸透镜75e被布置在透明电极75d上与发光二极管75b相对应的位置上。绿色发光二极管面板76包括在衬底76a上以矩阵布置的绿色发光二极管76b。纵向和横向上的发光二极管76b的数目是按照需要来选择的。所使用的绿色发光二极管76b例如是根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。发光二极管76b的p型层侧连接到布线电极76c，并且其n型层侧连接到透明电极76d。凸透镜76e被布置在透明电极76d上与发光二极管76b相对应的位置上。蓝色发光二极管面板77包括在衬底77a上以矩阵布置的蓝色发光二极管77b。纵向和横向上的发光二极管77b的数目是按照需要来选择的。所使用的发光二极管77b例如是基于GaN的发光二极管。发光二极管77b的p型层侧连接到布线电极77c，并且其n型层侧连接到透明电极77d。凸透镜77e被布置在透明电极77d上与发光二极管77b相对应的位置上。
投影显示器的液晶面板72、73和74分别控制从红色发光二极管面板75发出的红光、从绿色发光二极管面板76发出的绿光和从蓝色发光二极管面板77发出的蓝光的传输。二向棱镜71然后将红光、绿光和蓝光组合，以形成通过投影透镜78投影到屏幕79上的图像。
在这种情况下，用在等于或者小于20A/cm2(优选等于或者小于10A/cm2)的范围内的电流密度来调节被用作绿色发光二极管面板76中的绿色发光二极管76b的根据第一实施例的基于GaN的发光二极管的亮度。另一方面，红色发光二极管面板75中的红色发光二极管75b和蓝色发光二极管面板77中的蓝色发光二极管77b的驱动电流密度不限于等于或者小于20A/cm2的范围。
可以通过根据屏幕明暗度改变光源的明暗度来有效地驱动该投影显示器。投影显示器可以使用在等于或者小于20A/cm2(优选等于或者小于10A/cm2)的电流密度范围内的电流幅度调节，以控制红色发光二极管面板75中的红色发光二极管75b、绿色发光二极管面板76中的绿色发光二极管76b以及蓝色发光二极管面板77中的蓝色发光二极管77b。投影显示器因此可以结合PWM来提供显著扩展的动态范围。另外，投影显示器可以实现用于相同动态范围的脉冲驱动频率的减小。
将对本发明的第四实施例进行描述。在第四实施例中，投影显示器包括红色、绿色和蓝色发光二极管光源和包括DMD的光阀。绿色发光二极管光源包括根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。
图14图示了根据第四实施例的投影显示器。
在图14中，投影显示器包括红色功率发光二极管82、绿色功率发光二极管83和蓝色功率发光二极管84，这三个发光二极管被与二向棱镜81的三个相应表面相对布置。所使用的红色功率发光二极管82例如是基于AlGaInP的发光二极管。所使用的绿色功率发光二极管83是根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。所使用的蓝色功率发光二极管84例如是基于GaN的发光二极管。红色功率发光二极管82具有在其发光表面上的凸透镜82a和在其后表面上的散热片(radiating fin)82b。从红色功率发光二极管82发出的光通过凸透镜82a并且被通过光导构件85投影到二向棱镜81的相对表面上。绿色功率发光二极管83具有在其发光表面上的凸透镜83a和在其后表面上的散热片83b。从绿色功率发光二极管83发出的光通过凸透镜83a并且被通过光导构件86投影到二向棱镜81的相对表面上。蓝色功率发光二极管84具有在其发光表面上的凸透镜84a和在其后表面上的散热片84b。从蓝色功率发光二极管84发出的光通过凸透镜84a并且被通过光导构件87投影到二向棱镜81的相对表面上。
DMD 88被与二向棱镜81的另一表面相对布置。二向棱镜81将从红色功率发光二极管82发出的红光、从绿色功率发光二极管83发出的绿光和从蓝色功率发光二极管84发出的蓝光混合成白光。该白光射到DMD 88上，以形成通过投影透镜89投影到屏幕90上的图像。
在这种情况下，用在等于或者小于20A/cm2(优选等于或者小于10A/cm2)的范围内的电流密度来调节被用作绿色功率发光二极管83的根据第一实施例的基于GaN的发光二极管的亮度。另一方面，红色功率发光二极管82和蓝色功率发光二极管84的驱动电流密度不限于等于或者小于20A/cm2的范围。
一般而言，这种类型的投影显示器如果使用单芯片DMD则执行红色(R)、蓝色(B)和绿色(G)信号的时间划分。另外，如果DMD本身通过时间划分来调节光源的亮度以再现灰阶(gradation)，则投影显示器对PWM使用高得多的频率。相比之下，根据第四实施例的投影显示器可以在无需PWM的情况下通过电流幅度调节来调节亮度。如果PWM被结合使用，则投影显示器可以实现显著扩展的动态范围和脉冲驱动频率的减小。
将对本发明的第五实施例进行描述。
图15图示了根据第五实施例的无源矩阵发光二极管显示器。
在图15中，无源矩阵发光二极管显示器包括像素矩阵，所述像素包括红色发光二极管101、绿色发光二极管102和蓝色发光二极管103。所使用的红色发光二极管101例如是基于AlGaInP的发光二极管。所使用的绿色发光二极管102是根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。所使用的蓝色发光二极管103例如是基于GaN的发光二极管。纵向和横向上的像素的数目是按照需要来选择的。列选择线(地址线)C1至C10(以及更后的列选择线)连接到列驱动电路104。行选择线(信号线)R1至R9(以及更后的行选择线)连接到行驱动电路105。当锁相环(PLL)/定时电路106控制列驱动电路104和行驱动电路105选择像素时，图像数据电路107将RGB信号提供给列驱动电路104。响应于RGB信号而提供的电流对所选择像素的红色发光二极管101、绿色发光二极管102和蓝色发光二极管103进行驱动。用于驱动显示器的扫描方法例如是点顺序扫描或行顺序扫描。
在这种情况下，用在等于或者小于20A/cm2(优选等于或者小于10A/cm2)的范围内的电流密度来调节被用作绿色发光二极管102的根据第一实施例的基于GaN的发光二极管的亮度。另一方面，红色发光二极管101和蓝色发光二极管103的驱动电流密度不限于等于或者小于20A/cm2的范围。
这种发光二极管显示器可以使用PWM来再现屏幕内(in-screen)亮度信号并且可以使用幅度调节来调节整个屏幕的明暗度。因为绿色发光二极管102的发射波长倾向于随驱动电流密度而显著变化，所以根据第一实施例的基于GaN的发光二极管被用作绿色发光二极管102，并且其亮度是用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节的。因此，可以在红色发光二极管101、绿色发光二极管102和蓝色发光二极管103中的任何一个中抑制发射波长随电流密度而发生的变化。发光二极管显示器从而以幅度调节产生显著减少的颜色变化。
将对本发明的第六实施例进行描述。
图16图示了根据第六实施例的有源矩阵发光二极管显示器。
在图16中，有源矩阵发光二极管显示器包括像素矩阵，所述像素包括红色发光二极管111、绿色发光二极管112、蓝色发光二极管113和有源元件114。所使用的红色发光二极管111例如是基于AlGaInP的发光二极管。所使用的绿色发光二极管112是根据第一实施例的基于GaN的发光二极管。所使用的蓝色发光二极管113例如是基于GaN的发光二极管。纵向和横向上的像素的数目是按照需要来选择的。发光二极管111、112和113的n型层侧连接到地线115，并且其p型层侧连接到有源元件114。有源元件114能够驱动发光二极管111、112和113并且包括例如硅集成电路。列选择线(地址线)C1至C6(以及更后的列选择线)连接到列驱动电路116。行选择线(信号线)R1至R6(以及更后的行选择线)连接到行驱动电路117。列驱动电路116和行驱动电路117选择像素来驱动所选择像素的有源元件114，使得通过有源元件114提供的电流对像素中的红色发光二极管111、绿色发光二极管112和蓝色发光二极管113进行驱动。
在这种情况下，用在等于或者小于20A/cm2(优选等于或者小于10A/cm2)的范围内的电流密度来调节被用作绿色发光二极管112的根据第一实施例的基于GaN的发光二极管的亮度。另一方面，红色发光二极管111和蓝色发光二极管113的驱动电流密度不限于等于或者小于20A/cm2的范围。
虽然无源矩阵发光二极管显示器是通过例如点顺序扫描或行顺序扫描来驱动的，但是上面的有源矩阵发光二极管显示器实现了像素的同时照明，以降低像素中的红色发光二极管111、绿色发光二极管112和蓝色发光二极管113的瞬间峰值亮度。这有助于使被提供给发光二极管111、112和113的电流的幅度显著减小(例如，减小至1,080行的行顺序扫描情况下的电流的大约1/1,080)。因此，根据第一实施例的用于驱动发光二极管的方法对有源矩阵发光二极管显示器是有效的，在所述方法中用低电流密度(即等于或者小于20A/cm2的电流密度范围内的电流密度)来调节二极管的亮度以抑制波长移位。可以通过电流幅度调节、PWM或其组合来驱动有源元件114。具有低驱动频率的有源元件可被用于简单电流幅度调节和PWM的组合，因为组合后的调节与PWM相比仅产生轻微的颜色变化。
另外，可以通过对变化进行测量并且根据测量结果对被提供用来驱动单独像素的发光二极管111、112和113的电流的幅度进行控制来对制造期间的屏幕亮度的变化进行校正。另外，可以只通过PWM来再现视频信号，以防止灰阶因亮度校正而降低并简化信号处理。
上面已经详细描述了本发明的实施例，虽然本发明不限于这些实施例。本领域技术人员应当明白，各种修改、组合、子组合和变更取决于设计要求和其他因素可以发生，只要它们属于所附权利要求书或其等同物的范围。
例如，第一至第六实施例中所示的值、材料、结构、形状、衬底、工艺和电路配置仅仅是说明性的，并且不同的值、材料、结构、形状、衬底、工艺和电路配置可以根据需要而被使用。
本发明包含与2006年8月11日提交到日本专利局的日本专利申请JP2006-219583有关的主题，上述申请的全部内容通过引用而结合于此。

Claims (13)

1.一种用于驱动发光二极管的方法，所述发光二极管包括p型层、n型层和发光层，所述发光层被布置在所述p型层与所述n型层之间并且具有含铟量子阱结构，所述p型层、所述n型层和所述发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体，所述发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面，
所述方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节所述发光二极管的亮度的步骤。
2.根据权利要求1所述的用于驱动发光二极管的方法，其中，所述发光层的主表面相对于所述c平面以0.3°至1°的角度倾斜。
3.根据权利要求1所述的用于驱动发光二极管的方法，其中，用等于或者小于10A/cm2的范围内的电流密度来调节所述发光二极管的亮度。
4.根据权利要求1所述的用于驱动发光二极管的方法，其中，脉冲驱动被结合使用。
5.根据权利要求1所述的用于驱动发光二极管的方法，其中，所述发光二极管具有500至550nm的发射波长。
6.一种用于驱动显示器的方法，所述显示器包括至少一个发光二极管，所述发光二极管包括p型层、n型层和发光层，所述发光层被布置在所述p型层与所述n型层之间并且具有含铟量子阱结构，所述p型层、所述n型层和所述发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体，所述发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面，
所述方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节所述发光二极管的亮度的步骤。
7.根据权利要求6所述的用于驱动显示器的方法，其中，通过用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度形成亮度信号的一部分来调节所述发光二极管的亮度。
8.根据权利要求6所述的用于驱动显示器的方法，其中，所述显示器是包括像素矩阵的发光二极管显示器，其中每个像素包括所述发光二极管。
9.根据权利要求6所述的用于驱动显示器的方法，其中，所述显示器是包括背光和液晶面板的透射式或半透射式液晶显示器，所述背光包括所述至少一个发光二极管。
10.根据权利要求6所述的用于驱动显示器的方法，其中，所述显示器是包括光源和光阀的投影显示器，所述光源包括所述至少一个发光二极管。
11.根据权利要求10所述的用于驱动显示器的方法，其中，所述光阀是液晶面板或数字微镜设备。
12.一种用于驱动电子设备的方法，所述电子设备包括至少一个发光二极管，所述发光二极管包括p型层、n型层和发光层，所述发光层被布置在所述p型层与所述n型层之间并且具有含铟量子阱结构，所述p型层、所述n型层和所述发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体，所述发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面，
所述方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节所述发光二极管的亮度的步骤。
13.一种用于驱动光学通信设备的方法，所述光学通信设备包括至少一个发光二极管，所述发光二极管包括p型层、n型层和发光层，所述发光层被布置在所述p型层与所述n型层之间并且具有含铟量子阱结构，所述p型层、所述n型层和所述发光层中的每一个都包括具有纤锌矿型结构的氮基III-V族化合物半导体晶体，所述发光层具有相对于c平面以0.25°至2°的角度倾斜的主表面，
所述方法包括用等于或者小于20A/cm2的范围内的电流密度来调节所述发光二极管的亮度的步骤。
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