JP2004061950A - 半導体レーザを用いたディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】大画面化に対応でき、且つ高画質及び低消費電力とする。
【解決手段】ディスプレイ１は、赤色および緑色および青色のレーザ光をそれぞれ照射する３つの半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃで一つの画素３を構成し、且つ複数の画素３を２次元に配列して画素集合体４を構成し、且つ各画素３に対応する色情報に基づいて各半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃに対する電気入力を調整し、画素集合体４により像を表示する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレイに関する。さらに詳述すると、本発明は、光源に半導体レーザを用いたディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のカラーディスプレイとしては、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｒａｙ　Ｔｕｂｅ）、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、電界放出型ディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ，ＦＥＤ）、等がある。
【０００３】
また、特開平７−７５１１７号公報には、赤色および緑色および青色のレーザ光を光源に用い、レーザ光を走査することで画像を表示する技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＲＴは、電子銃を備える構造であるため薄型化が困難である、電子銃を走査することで画像を表示するため大画面化するとディスプレイの端のほうで画質が落ちる、等の問題がある。また、液晶ディスプレイは、構造が複雑で歩留まりが低くコストが高い、視野角が狭い、等の問題がある。また、プラズマディスプレイは、放電を利用しているため消費電力が大きい、等の問題がある。また、電界放出型ディスプレイは、寿命が短い、等の問題がある。
【０００５】
また、特開平７−７５１１７号公報に開示された技術では、レーザ光を走査しているため、ＣＲＴと同様に、薄型化が困難である、大画面化するとディスプレイの端のほうで画質が落ちる、等の問題がある。また、同号公報には、光源に半導体レーザを用いる内容が開示されているが、３原色のうちカラーディスプレイの光源として利用可能な程度に実用化されているのは青色と赤色の半導体レーザのみで、緑色の半導体レーザは現時点において実用化には至っていない。
【０００６】
そこで本発明は、大画面化した場合でも、高画質であり且つ薄型化でき且つ消費電力も小さく且つ長寿命である半導体レーザを用いたディスプレイを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の半導体レーザを用いたディスプレイは、赤色および緑色および青色のレーザ光をそれぞれ照射する３つの半導体レーザで一つの画素を構成し、且つ複数個の前記画素を２次元に配列して画素集合体を構成し、且つ前記画素のそれぞれに対応する色情報に基づいて前記半導体レーザのそれぞれへの電気入力を調整し、前記画素集合体により像を表示するようにしている。
【０００８】
したがって、ディスプレイは、ＴＶチューナ部やコンピュータ等から入力される各画素に応する色情報に基づいて、各半導体レーザへの電気入力を調整する。これにより、各画素は赤色半導体レーザと緑色半導体レーザと青色半導体レーザの明るさに応じた色を表示し、画素集合体により所期の像（映像、動画像、静止画像等）が表示される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１から図６に本発明の半導体レーザを用いたディスプレイの実施の一形態を示す。このディスプレイ１は、赤色および緑色および青色のレーザ光をそれぞれ照射する３つの半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃで一つの画素３を構成し、且つ複数の画素３を２次元に配列して画素集合体４を構成し、且つ各画素３に対応する色情報に基づいて各半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃに対する電気入力を調整し、画素集合体４により像（映像、動画像、静止画像等であり、以下、画像と呼ぶ。）を表示するようにしている。
【００１１】
各画素３は、赤色のレーザ光を照射する半導体レーザ２Ａ（以下、赤色半導体レーザ２Ａと呼ぶ）と、緑色のレーザ光を照射する半導体レーザ２Ｂ（以下、緑色半導体レーザ２Ｂと呼ぶ）と、青色のレーザ光を照射する半導体レーザ２Ｃ（以下、青色半導体レーザ２Ｃと呼ぶ）とを、１セットとして構成される。
【００１２】
ディスプレイ１が備える画素数は特に限定されるものではなく、目的とされる任意の解像度を実現するための画素数を有すれば良い。例えば本実施形態では、水平方向の画素数を一定とすると共に、垂直方向の画素数を一定として、矩形状の画面を形成するようにしている。但し、本実施形態の例に必ずしも限定されるものではなく、所望の形状の画面を形成するように、画素３を配列するようにしても良い。
【００１３】
１つの画素３を構成する赤色半導体レーザ２Ａと緑色半導体レーザ２Ｂと青色半導体レーザ２Ｃとは、人間の視覚によって１つの画素３が３色に分かれていることを認識できず画素単位で多色表示されているように見える大きさに形成し、また配置し或いは集積することが好ましい。本実施形態においては、赤色半導体レーザ２Ａ、緑色半導体レーザ２Ｂ、青色半導体レーザ２Ｃの順に、直列的に並べている。画素集合体４を構成する全ての半導体レーザは、例えば一つの基板５上に集積化される。各半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、例えば面発光するように構成されていることが好ましい。
【００１４】
複数の半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃの集合である画素集合体４の発光面は、例えばスクリーン６で覆われる。このスクリーン６は、レーザ光が視聴者の肉眼に直接照射されることを防止して、視聴者の目を保護する役割を果たし、またレーザ光が衝突することで画素点を形成する画面としての役割を果たす。スクリーン６の材質としては、例えばガラス等の透明材料が好ましい。
【００１５】
また、ディスプレイ１は、画素集合体４を構成する複数の半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを個別に駆動することができるレーザ制御部７を備えている。例えば本実施形態におけるレーザ制御部７は、基板５に電気的に接続され、各半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃに対する電気入力を調整することで、各半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃの明るさを０から２５５までの２５６段階で制御するようにしている。これにより、各画素３につき、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光の３原色の組み合わせで、２５６×２５６×２５６色（＝１６７７７２１６色）の表現が可能になる。本実施形態においてレーザ制御部７に入力される各画素３についての色情報は、赤色の明るさのレベルを表す０から２５５までの値をとるＲ値と、緑色の明るさのレベルを表す０から２５５までの値をとるＧ値と、青色の明るさのレベルを表す０から２５５までの値をとるＢ値との組み合わせから成るＲＧＢ値である。
【００１６】
このディスプレイ１は、テレビジョン受像機の表示装置として、またはコンピュータの表示装置として、利用することができる。
【００１７】
テレビジョン受像機の表示装置としてディスプレイ１を利用する場合、レーザ制御部７は、ＴＶチューナ部８に電気的に接続される（図２参照）。ＴＶチューナ部８は、例えば、アンテナやケーブルを介してテレビジョン信号を受信する受信部９と、当該受信部９が受信したテレビジョン信号をディスプレイ１の各画素３に対応する色情報（ＲＧＢ値）に変換し且つ当該変換した各画素３の色情報（ＲＧＢ値）をレーザ制御部７に入力するインターフェース部１０とを少なくとも有して構成される。尚、テレビジョン信号の方式は複数種存在し得るが、目的とするテレビジョン信号の方式に対応したインターフェース部１０を備えることで、任意のテレビジョン信号をディスプレイ１で表示することが可能である。
【００１８】
コンピュータの表示装置としてディスプレイ１を利用する場合、レーザ制御部７は、コンピュータ１１に電気的に接続される（図３参照）。コンピュータ１１は、例えば、中央処理演算装置（ＣＰＵ）１２と、ＣＰＵ１２の指令に基づいてディスプレイ１の各画素３に対応する色情報（ＲＧＢ値）をレーザ制御部７に入力するデバイスドライバ等のインターフェース部１３を少なくとも有して構成される。
【００１９】
ディスプレイ１のレーザ制御部７は、ＴＶチューナ部８又はコンピュータ１１から入力される各画素３に対応する色情報（ＲＧＢ値）に基づいて、各半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃへの電気入力を調整する。これにより、各画素３は赤色半導体レーザ２Ａと緑色半導体レーザ２Ｂと青色半導体レーザ２Ｃの明るさに応じた色を表示し、画素集合体４により所期の画像が表示される。
【００２０】
本発明のディスプレイ１によれば、光源である半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃそのものが色を出すため高輝度であり、大画面化した場合でも高画質である。更に、半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、低消費電力であり、ディスプレイ１の省エネルギ化にも寄与できる。更に、半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、メンテナンスフリーで長寿命であるため、ビルの外の壁に取り付ける大画面ディスプレイにも適用できる。さらに、画素３をそれぞれ半導体レーザ２Ａ，２Ｂ，２Ｃで構成しているので、１つの画面を分割し当該分割画面でそれぞれ別個の画像表示を行うといった制御も容易に行える。また、レーザ光線を走査しないので、走査のための機構や制御系は不要であり、ディスプレイ１を薄型化できる。
【００２１】
ここで、赤色半導体レーザ２Ａと青色半導体レーザ２Ｃとは、既に実用化されている周知または公知のものを採用して良い。一方、緑色半導体レーザ２Ｂには、例えば以下に説明するものの利用が好ましい。
【００２２】
緑色半導体レーザ２Ｂは、例えば図４に示すように、基板１４上にｎ型クラッド層１５、活性層１６、ｐ型クラッド層１７が順に積層された構造を有し、基板１４には負電極１８が、ｐ型クラッド層１７には正電極１９が設けられている。活性層１６の材料としては、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の利用が好ましく、特に、（ＡｌＡｓ）ｍ／（ＧａＰ）ｎを用いることが好ましい（ｍ，ｎには任意の数値が入る）。また、基板１４の材料としては、ＧａＡｓまたはＧａＡｓｘＰ（１−ｘ）を用いることが好ましい（ｘには任意の数値が入る）。また、クラッド層１５，１７の材料としては、例えば表１に示す材料の利用が好ましい。
【００２３】
【表１】

【００２４】
緑色半導体レーザ２Ｂの活性層１６は、超格子構造とすることが好ましく、特に、内部に歪を含んだ歪超格子構造とすることが好ましい。２つの異なる間接遷移型の半導体材料を、非常に薄く交互に積層させた超格子構造にすると、間接遷移型から直接遷移型に変化し、発光遷移が高くなりレーザ発振の可能性が一層高められるからである。また、格子定数が異なる材料を組み合わせた場合、正確な膜厚制御を行わないと、図５（ａ）に示すように、緩和型になり膜中に欠陥が発生してしまうが、膜厚制御を行うことにより、図５（ｂ）に示すように、内部に歪を含んだ状態で欠陥も発生しない歪超格子構造を作製することができる。活性層１６を歪超格子構造とすることにより、図６に示すような特性改善が期待でき、レーザ発振の可能性を一層高めることができる。
【００２５】
更に、活性層１６は、例えば１００ｎｍ程度以下の量子効果が現れるサイズで加工し、２次元ナノサイズの量子細線の構造とすることが好ましく、３次元ナノサイズの量子ドットの構造とすることがより好ましい。この場合、量子ドットは、例えば１０ｎｍ程度のサイズの箱状（サイコロ状）や円柱状とすることが好ましい。このような量子ドット構造とすることで、電子の閉じ込め効果が大きく期待でき、レーザ発振の閾値低下、スペクトルの狭窄化、効率向上などの利点を有するからである。
【００２６】
歪超格子構造を作製するには、半導体薄膜を原子層の厚さで制御する必要がある。超格子構造の周期の平均的な誤差は、１原子層以下とすることが好ましい。ここでいう１原子層は、およそ０．３ｎｍの厚さに相当する。超格子膜の積層手段としては、分子線成長（ＭＢＥ）装置を用いることが好ましい。ＭＢＥ装置は、超高真空中に置かれたルツボに入れた原料を加熱して、分子または原子の状態で照射することにより、薄膜を堆積させる装置である。特に、蒸気圧の高いＶ族元素のＡｓとＰの制御性を高めるため、Ｖ族原料にガスを用いたガスソースＭＢＥ（ＧＳＭＢＥ）装置の利用が好ましい。ＧＳＭＢＥ装置は、１原子層の膜厚制御が可能であり、目標とする作製精度と結晶性を達成するために最適である。薄膜作製方法として、ＧＳＭＢＥ法、ＭＢＥ法、有機金属気層成長（ＭＯＶＰＥ）法の主な特徴を表２に示す。
【００２７】
【表２】

【００２８】
結晶性評価は重要な要素であり、通常はＸ線回折法と透過型断面電子像観察（ＴＥＭ）法が用いられる。超格子構造が設計通りに作製されているかを確認するにあたっては、Ｘ線回折法とＴＥＭ法が利用できるが、結晶内部の構造を確認するためには、より敏感であるラマン散乱法を利用することが好ましい。各測定法の特徴を表３に示す。
【００２９】
【表３】

【００３０】
表３に示す各測定法には、それぞれ特徴があり、作製した超格子膜の評価には、これらを併用することが、確実性が高まり好ましい。例えば、最初にＸ線回折による測定を行い、作製した超格子膜が設計通りの構造になっているかチェックする。次に、ラマン散乱光の測定により、超格子膜の周期性の評価を行い、フォノンの折り返り効果を確認することで超格子構造の周期性を評価する。そして、最終的に、ＴＥＭにより、格子像を観察して、超格子膜の厚さと構造の確認を行う。超格子構造の観点から見た精度として、例えばラマン散乱光の測定で折り返しによる音響フォノンによるピークが観測されることが好ましい。この場合、作製条件に対応するピーク位置が、０〜２００カイザの範囲で設計通りに観測されることが好ましい。
【００３１】
量子ドット作製のための超格子膜の加工方法としては、例えば表４に示す方法が挙げられる。
【００３２】
【表４】

【００３３】
ここで、湿式化学エッチングは、エッチング自体による超格子膜内部の損傷が無い利点はあるが、溶液がマスク下に潜り込んで余計な個所もエッチングされるサイドエッチング現象の問題があり、加工位置と加工精度が制御できずナノサイズの加工は困難である。また、イオンビームは、加工サイズの制御は可能であるが、垂直加工には、かなりの高エネルギーが必要となり、超格子膜内部の損傷が大きい。
【００３４】
一方、ガスクラスターイオンビームは、アルゴンや酸素などの原料ガスを、断熱膨張によりクラスター化してイオン化し、一つのイオンで多数の原子や分子を輸送できるので、低エネルギー領域でも効率よく原子・分子を運ぶことができ、しかも無損傷加工ができる。そこで、ガスクラスターイオンビーム装置を用いて、量子ドット作製のための超格子膜の加工を行うことが好ましい。尚、サイズ揺らぎが１０％以下の精度となるように加工することが好ましい。超格子構造を用いた光発光素子では、超格子構造の周期または構造が光発光素子の特性に影響を与える。超格子構造のサイズを制御することにより、発光波長を制御できるが、サイズの揺らぎがあるとナノサイズによる効果が抑制されるため、揺らぎを抑えることが重要となるからである。
【００３５】
緑色半導体レーザ２Ｂの発光波長は、緑色に相当する波長領域（例えば５３０ｎｍ〜５５０ｎｍ）とする。尚、緑色半導体レーザ２Ｂの発光効率は例えば１０％程度となるようにする。緑色で発光することを確認する方法としては、最も基本的な手法であるフォトノレミネッセンス（ＰＬ）法を利用することが好ましく、カソードルミネッセンス（ＣＬ）法も併用することがより好ましい。これらの測定方法の特徴を表５に示す。
【００３６】
【表５】

【００３７】
発光波長を測定するには、ＰＬ法が簡単であるため、例えば、最初はＰＬ法による測定を行い、次に、場所による違いがあるかを調べるために、ＣＬ法を用いて測定することが好ましい。ＣＬ法では、電子ビームを１０ｎｍ以下に絞ることが可能であり、非常に微小な領域を調べることができる。また、ＣＬ法は、通常は電子顕微鏡に組み込まれているので、高倍率の像の観察や組成分析も可能である。このため、発光波長と組成の関係をＣＬ法により測定することができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の半導体レーザを用いたディスプレイによれば、光源である半導体レーザそのものが色を出すため高輝度であり、大画面化した場合でも高画質である。更に、半導体レーザは、低消費電力であり、ディスプレイの省エネルギ化にも寄与できる。更に、半導体レーザは、メンテナンスフリーで長寿命であるため、ビルの外の壁に取り付ける大画面ディスプレイにも適用できる。さらに、画素をそれぞれ別個の半導体レーザで構成しているので、１つの画面を分割し当該分割画面でそれぞれ別個の画像表示を行うといった制御も容易に行える。また、レーザ光線を走査しないので、走査のための機構や制御系は不要であり、ディスプレイを薄型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザを用いたディスプレイの実施の一形態を示す概略構成図である。
【図２】上記ディスプレイをテレビジョン受像機の表示装置として用いた場合の概略ブロック図である。
【図３】上記ディスプレイをコンピュータの表示装置として用いた場合の概略ブロック図である。
【図４】緑色半導体レーザの構造の一例を示す断面図である。
【図５】上記緑色半導体レーザの活性層における超格子構造を示す概念図であり、（ａ）は欠陥が発生した緩和型の超格子構造を示し、（ｂ）は欠陥が発生しない歪型の超格子構造を示す。
【図６】歪超格子構造によって改善される特性の因果関係を示す図である。
【符号の説明】
１　ディスプレイ
２Ａ　赤色半導体レーザ
２Ｂ　緑色半導体レーザ
２Ｃ　青色半導体レーザ
３　画素
４　画素集合体
７　レーザ制御部

Claims (1)

1. 赤色および緑色および青色のレーザ光をそれぞれ照射する３つの半導体レーザで一つの画素を構成し、且つ複数個の前記画素を２次元に配列して画素集合体を構成し、且つ前記画素のそれぞれに対応する色情報に基づいて前記半導体レーザのそれぞれへの電気入力を調整し、前記画素集合体により像を表示することを特徴とする半導体レーザを用いたディスプレイ。

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