JP2005072368A - Semiconductor light emitting delement, semiconductor laser element, and image display device - Google Patents
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Description
本発明は、発光層で発生する光の発光ピーク波長及び半値幅が、発光層に注入される電流によって殆ど変化することない半導体発光素子に関する。さらに、表示画像の階調を行う駆動回路を簡単な構成にすることができる画像表示装置に関する。また、レーザ発振させる際の閾値電流が増大することを抑制することにより、レーザ発振させることが困難とされていた波長を有する光を発生することができる半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device in which the emission peak wavelength and half width of light generated in a light emitting layer hardly change depending on the current injected into the light emitting layer. Furthermore, the present invention relates to an image display device that can have a simple configuration of a drive circuit that performs gradation of a display image. The present invention also relates to a semiconductor laser element that can generate light having a wavelength that has been difficult to cause laser oscillation by suppressing an increase in threshold current during laser oscillation.
窒化ガリウム系化合物半導体(以下、GaN系半導体)を主たる材料として形成された半導体発光素子は、青色から橙色までの幅広い波長の光を発光することが可能であり、特に青色及び緑色の如き比較的短波長の光を発光することができる半導体発光素子として注目されている。また、このような半導体発光素子の一例である発光ダイオード(LED)を配置して画像表示部を構成した画像表示装置の開発も行われている。 A semiconductor light-emitting element formed using a gallium nitride compound semiconductor (hereinafter referred to as a GaN-based semiconductor) as a main material can emit light having a wide wavelength range from blue to orange. It attracts attention as a semiconductor light emitting device capable of emitting light of a short wavelength. In addition, an image display device in which a light emitting diode (LED), which is an example of such a semiconductor light emitting element, is arranged to form an image display unit has been developed.
このような半導体発光素子は、基板上にn型の導電性を有する半導体層、発光層、及びp型の導電性を有する半導体層を積層することによって形成され、例えば、InGaN層を発光層として形成した場合には、インジウム(In)の組成比を調整することで発光波長を調整することができる。また、発光層が一層である単一量子井戸構造に限定されず、複数の発光層間にバリア層が形成された多重量子井戸構造を形成する場合もある。 Such a semiconductor light-emitting element is formed by stacking an n-type conductive semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type conductive semiconductor layer on a substrate. For example, an InGaN layer is used as a light-emitting layer. When formed, the emission wavelength can be adjusted by adjusting the composition ratio of indium (In). Further, the present invention is not limited to a single quantum well structure having a single light emitting layer, and a multiple quantum well structure in which a barrier layer is formed between a plurality of light emitting layers may be formed.
通常、GaN系半導体を主たる材料とする半導体発光素子は、組成の異なる異種の半導体層によって発光層が挟み込まれたダブルヘテロ構造を有し、格子不整合から生じるピエゾ電界、若しくはミスフィット転位が生じる場合が多い。素子内部に生じたピエゾ電界やミスフィット転位は、半導体発光素子の発光効率を低下させる原因となる。 Usually, a semiconductor light-emitting device mainly composed of a GaN-based semiconductor has a double heterostructure in which the light-emitting layer is sandwiched between different types of semiconductor layers having different compositions, and a piezo electric field or misfit dislocation caused by lattice mismatch occurs. There are many cases. Piezoelectric fields and misfit dislocations generated inside the element cause a reduction in the light emission efficiency of the semiconductor light emitting element.
具体的には、発光層であるInGaN層を厚くした場合には結晶欠陥の導入による発光効率の低下、若しくはピエゾ電界による発光効率の低下が生じる傾向にあり、InGaN層を薄くした場合には発光層をキャリアが素通りするためキャリアの注入効率が低下して発光効率が低下する傾向にある。したがって、これら結晶欠陥の導入、ピエゾ電界の発生、及びキャリアの注入密度の低下の如き発光効率を低下させる原因のトレードオフを考慮した上で上述した3nm程度の厚みを有する発光層が採用される場合が多い。 Specifically, when the InGaN layer, which is the light emitting layer, is thickened, there is a tendency for the light emitting efficiency to decrease due to the introduction of crystal defects, or the light emitting efficiency to decrease due to the piezoelectric field, and when the InGaN layer is made thin, light is emitted. Since carriers pass through the layer, the carrier injection efficiency tends to decrease and the light emission efficiency tends to decrease. Therefore, the light emitting layer having a thickness of about 3 nm as described above is adopted in consideration of tradeoffs of causes for reducing the light emission efficiency such as introduction of crystal defects, generation of a piezoelectric field, and a decrease in carrier injection density. There are many cases.
さらに、上述したInGaN層を発光層とする半導体発光素子の発光効率を高めるための技術は各種提案されており、特に発光層の層厚については特許文献1に詳細に記載されている。
しかしながら、上述した3nm程度の層厚を有する発光層を形成した場合でもピエゾ電界は存在し、半導体発光素子への注入される電流が変化することにより、発光波長が変化する問題がある。特に、上述した半導体発光素子を画像表示装置の光源として用いる場合には、発光素子に注入される注入電流の変動を低減することによって、発光波長の変化を抑制することが重要となる。 However, even when the light emitting layer having a thickness of about 3 nm is formed, there is a problem that the piezo electric field exists and the light emission wavelength is changed by changing the current injected into the semiconductor light emitting element. In particular, when the semiconductor light-emitting element described above is used as a light source of an image display device, it is important to suppress a change in emission wavelength by reducing a variation in injection current injected into the light-emitting element.
上述した特許文献1によれば、発光ピーク波長が485nm、550nm、570nmである場合に注入電流を変化させて発光ピーク波長のシフト量を比較した結果が開示されているが、マルチカラーディスプレイの如き画像表示装置の青色、又は緑色の光源として好適な光の波長の範囲に含まれる発光波長ピークのシフト量については言及されていない。さらに、特許文献1によれば、青色の光源として好適な光の波長である440〜480nm、又は緑色の光源として好適な光の波長である500〜550nmの範囲については詳細な検討がなされていない。
According to
したがって、マルチカラーディスプレイの如き画像表示装置の画像表示部を構成する半導体発光素子に求められる光の波長の範囲において、発光効率、発光ピーク波長の分布幅、及び注入電流が変化することによる発光ピーク波長のシフト量は詳細に検討されておらず、さらに画像表示装置の青色、又は緑色の光源として好適な素子構造を有する半導体発光素子も未だ十分な性能が得られていないのが現状である。 Therefore, the emission peak due to the change in emission efficiency, emission peak wavelength distribution width, and injection current in the range of the wavelength of light required for the semiconductor light emitting element constituting the image display unit of the image display device such as a multi-color display. The amount of wavelength shift has not been studied in detail, and the semiconductor light emitting device having an element structure suitable as a blue or green light source of an image display device has not yet obtained sufficient performance.
さらにまた、マルチカラーディスプレイの如き画像表示装置を駆動して画像を表示する際には、画像信号に対して画像表示部の階調に応じたパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)が行われ、当該パルス幅変調が行われた電流を半導体発光素子に注入して画像表示部の階調を行う。通常、このようなパルス幅変調は画像表示装置に設けられた高周波回路によって行われることから、画像表示装置の駆動回路が複雑な構成となり、さらに画像表示装置を駆動する際の画像信号の処理が煩雑なものとなっていた。したがって、画像表示装置に設けられる駆動回路を簡便な構成とし、さらに画像信号の処理を容易に行うことができる技術が求められていた。さらに、色純度の低下を抑制して画像表示装置の色再現範囲を広くすることができる半導体発光素子も求められており、このような半導体発光素子は当該半導体発光素子に注入される電流が変化した場合でも発光ピーク波長が殆どシフトすることなく、且つ半導体発光素子の半値幅の広がりが低減されていることが望ましい。 Furthermore, when an image display device such as a multi-color display is driven to display an image, pulse width modulation (PWM) according to the gradation of the image display unit is performed on the image signal. Then, the current subjected to the pulse width modulation is injected into the semiconductor light emitting element to perform gradation of the image display unit. Normally, such pulse width modulation is performed by a high-frequency circuit provided in the image display device, so that the drive circuit of the image display device has a complicated configuration, and further processing of the image signal when driving the image display device is performed. It was complicated. Therefore, there has been a demand for a technique that allows a drive circuit provided in an image display apparatus to have a simple configuration and that can easily process an image signal. Furthermore, there is a need for a semiconductor light-emitting element that can widen the color reproduction range of an image display device by suppressing a decrease in color purity. In such a semiconductor light-emitting element, the current injected into the semiconductor light-emitting element changes. In this case, it is desirable that the emission peak wavelength hardly shifts and that the full width at half maximum of the semiconductor light emitting element is reduced.
また、上述した画像表示装置に搭載される半導体発光素子に限定されず、GaN系半導体を主たる材料として構成される半導体レーザ素子においては、素子内部のピエゾ電界の影響によってレーザ発振させる際の閾値電流が増大する問題もある。特に、450nmを超える光の波長の範囲では閾値電流が極端に増大することが観測されており、480nmまでの発振波長のレーザしか実現されていないのが現状である。 In addition, the present invention is not limited to the semiconductor light-emitting device mounted on the image display device described above, and in a semiconductor laser device composed mainly of a GaN-based semiconductor, a threshold current at the time of laser oscillation due to the influence of the piezoelectric field inside the device. There is also a problem that increases. In particular, it has been observed that the threshold current increases extremely in the wavelength range of light exceeding 450 nm, and only lasers with oscillation wavelengths up to 480 nm have been realized.
よって、本発明は上述した実情を鑑みてなされたものであり、注入電流が変化することによる発光ピーク波長のシフト量が抑制された素子構造を有し、画像表示装置の光源として好適である半導体発光素子、及びこれを搭載した画像表示装置、さらに長波長のレーザ光を発振させる際の閾値電流が低減された半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has a device structure in which the shift amount of the emission peak wavelength due to the change of the injection current is suppressed, and is suitable as a light source for an image display device. It is an object of the present invention to provide a light emitting element, an image display device equipped with the light emitting element, and a semiconductor laser element in which a threshold current when a long wavelength laser beam is oscillated is reduced.
本発明にかかる半導体発光素子は、画像表示装置の画像表示部を構成する半導体発光素子であって、窒化ガリウム系化合物半導体を主たる材料とし、層厚が1原子層〜8原子層である発光層を有し、前記発光層に注入される電流の振幅を調整することにより前記画像表示部の階調が制御されることを特徴とする。本発明にかかる半導体発光素子によれば、発光層に注入される電流の振幅の変化によって発光ピーク波長が殆どシフトしないことから、画像表示部の階調を当該電流の振幅によって制御することができる。このような半導体発光素子は色純度に優れ、高画質の画像表示を行うためには好適である。さらに、このような半導体発光素子を配置した画像表示部を有する画像表示装置においては、より細かな画像表示を行う目的で行われる注入電流の周波数変換を軽減することができるとともに半導体発光素子を駆動する駆動回路を簡便な構成にすることができる。また、注入電流の周波数及び振幅に階調を示すデータを含ませることにより、注入電流の周波数変換のみによって階調を行う場合に比べてより細かな階調を行うことが可能となる。 A semiconductor light-emitting device according to the present invention is a semiconductor light-emitting device that constitutes an image display unit of an image display device, and is a light-emitting layer mainly composed of a gallium nitride-based compound semiconductor and having a layer thickness of 1 atomic layer to 8 atomic layers. And the gradation of the image display unit is controlled by adjusting the amplitude of the current injected into the light emitting layer. According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the emission peak wavelength hardly shifts due to the change in the amplitude of the current injected into the light emitting layer, and therefore the gradation of the image display unit can be controlled by the amplitude of the current. . Such a semiconductor light emitting device is excellent in color purity and suitable for performing high quality image display. Further, in an image display device having an image display unit in which such semiconductor light emitting elements are arranged, frequency conversion of injected current performed for the purpose of displaying a finer image can be reduced and the semiconductor light emitting elements are driven. The driving circuit to be configured can have a simple configuration. In addition, by including data indicating gradation in the frequency and amplitude of the injection current, it is possible to perform finer gradation as compared with the case where gradation is performed only by frequency conversion of the injection current.
さらに本発明にかかる半導体発光素子においては、前記発光層をインジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層とし、前記発光層で発生する光の波長を、青色、又は緑色の光の波長の範囲に含まれるようにしても良い。特に、前記発光層で発生する光の波長を、440〜480nm、又は500〜550nmの波長の範囲に含まれるようにすることも可能であり、本発明にかかる半導体発光素子を色純度に優れた青色、又は緑色の光源として用いることもできる。また、このような半導体発光素子を青色、又は緑色の光源として用いる際には、前記発光層におけるインジウムの組成比を15〜40%にしておけば良い。 Furthermore, in the semiconductor light emitting device according to the present invention, the light emitting layer is a gallium nitride compound semiconductor layer containing indium, and the wavelength of light generated in the light emitting layer is included in a wavelength range of blue or green light. You may do it. In particular, the wavelength of light generated in the light emitting layer can be included in a wavelength range of 440 to 480 nm or 500 to 550 nm, and the semiconductor light emitting device according to the present invention has excellent color purity. It can also be used as a blue or green light source. Further, when such a semiconductor light emitting element is used as a blue or green light source, the indium composition ratio in the light emitting layer may be set to 15 to 40%.
本発明にかかる半導体発光素子においては、前記発光層の一方の側にp型、又はn型の導電性を有する半導体層が形成され、前記発光層と、前記p型、又は前記n型の導電性を有する半導体層との間に、前記発光層のバンドギャップより大きく、且つ前記p型、又は前記n型の導電性を有する半導体層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する緩衝層を形成しても良い。このような緩衝層によれば、発光層を薄くした際にキャリアが当該発光層で再結合することを抑制することができる。これにより、再結合による発光が行われることなくキャリアが発光層を通過することを低減することが可能となり、発光効率を高めることができる。 In the semiconductor light emitting device according to the present invention, a semiconductor layer having p-type or n-type conductivity is formed on one side of the light-emitting layer, and the light-emitting layer and the p-type or n-type conductive layer are formed. A buffer layer having a band gap larger than the band gap of the light emitting layer and smaller than the band gap of the p-type or n-type conductive semiconductor layer is formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer; Also good. According to such a buffer layer, it is possible to prevent carriers from recombining with the light emitting layer when the light emitting layer is thinned. Thereby, it becomes possible to reduce that a carrier passes a light emitting layer, without light emission by recombination, and can improve luminous efficiency.
本発明にかかる半導体レーザ素子は、窒化ガリウム系化合物半導体を主たる材料とし、層厚が1原子層〜8原子層である発光層と、前記発光層と重ねて形成される結晶層とからなる積層体を劈開して形成される端面とを備えることを特徴とする。本発明にかかる半導体レーザ素子によれば、発光層の層厚が1原子層〜8原子層であることからレーザ発振させる際の閾値電流を低減することができる。さらに、発光層のInの組成比を所定の値に設定することにより、従来困難とされていた波長範囲でのレーザ発振が可能となる。 The semiconductor laser device according to the present invention is a multilayer comprising a light emitting layer having a layer thickness of 1 to 8 atomic layers and a crystal layer formed on the light emitting layer, the main material being a gallium nitride compound semiconductor. And an end face formed by cleaving the body. According to the semiconductor laser device of the present invention, since the layer thickness of the light emitting layer is 1 atomic layer to 8 atomic layer, the threshold current at the time of laser oscillation can be reduced. Further, by setting the In composition ratio of the light emitting layer to a predetermined value, it becomes possible to oscillate a laser in a wavelength range that has been conventionally difficult.
本発明にかかる画像表示装置は、窒化ガリウム系化合物半導体を主たる材料とし、層厚が1原子層〜8原子層である発光層を有する半導体発光素子を配置して形成される画像表示部と、前記発光層に注入する電流の振幅を調整して前記画像表示部の階調を制御する階調制御手段とを備えることを特徴とする。本発明にかかる画像表示装置によれば、半導体発光素子を駆動するための電流の周波数変換を軽減することができることから、半導体発光素子を駆動するための駆動回路を簡便な構成することができる。さらに、画像の階調に関する情報を電流の振幅に含ませることができることから、電流の周波数を利用した階調だけでなく、電流の振幅を利用したより細かな階調を行うことが可能になる。 An image display device according to the present invention includes a gallium nitride compound semiconductor as a main material, and an image display unit formed by disposing a semiconductor light emitting element having a light emitting layer having a layer thickness of 1 to 8 atomic layers, Gradation control means for controlling the gradation of the image display unit by adjusting the amplitude of the current injected into the light emitting layer. According to the image display device of the present invention, since the frequency conversion of the current for driving the semiconductor light emitting element can be reduced, the drive circuit for driving the semiconductor light emitting element can be simply configured. Furthermore, since the information about the gradation of the image can be included in the current amplitude, it is possible to perform not only the gradation using the current frequency but also a finer gradation using the current amplitude. .
本発明にかかる半導体発光素子によれば、駆動電流が変化した場合でも略一定の発光ピーク波長を有する光を発生することができ、さらに発光ピーク波長の半値幅が小さいことから色純度に優れた光を発生することができる。このような半導体発光素子は配置された画像表示部を有する画像表示装置によれば、半導体発光素子の駆動電流の周波数を制御するだけでなく、振幅を制御することによっても表示画像の階調を制御することができる。これにより、駆動電流の周波数を変換する回路に対する負荷を低減するとともに、簡便な回路で画像表示を行うことができる。さらに、駆動電流の周波数及び振幅の両方を利用して階調を行うことができるためより細かな階調を行うことも可能となる。 According to the semiconductor light emitting device according to the present invention, light having a substantially constant emission peak wavelength can be generated even when the driving current is changed, and the half width of the emission peak wavelength is small, so that the color purity is excellent. Can generate light. According to an image display apparatus having an image display unit in which such a semiconductor light emitting element is arranged, not only the frequency of the drive current of the semiconductor light emitting element but also the amplitude of the display image can be controlled by controlling the amplitude. Can be controlled. As a result, the load on the circuit that converts the frequency of the drive current can be reduced, and image display can be performed with a simple circuit. Furthermore, since gradation can be performed using both the frequency and amplitude of the drive current, finer gradation can be performed.
以下、本発明にかかる半導体発光素子及びこれを搭載した画像表示装置、さらに半導体レーザ素子について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a semiconductor light emitting device, an image display device having the semiconductor light emitting device and a semiconductor laser device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明にかかる半導体発光素子は、GaN系化合物半導体を主たる材料として形成されたものであり、発光層の両側にそれぞれ電流注入層としてのp型半導体層及びn型半導体が形成された単一量子井戸構造、又は複数の発光層の間に障壁層が形成された多重量子井戸構造を有する。 The semiconductor light emitting device according to the present invention is formed using a GaN-based compound semiconductor as a main material, and a single quantum in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor as current injection layers are formed on both sides of the light emitting layer, respectively. It has a well structure or a multiple quantum well structure in which a barrier layer is formed between a plurality of light emitting layers.
さらに、本発明にかかる半導体発光素子に形成される発光層は、1原子層〜8原子層の層厚を有しており、このような層厚を有する発光層によれば、注入電流の変化に対する発光ピーク波長のシフト幅を十分な大きさまで低減することができる。これにより、本発明にかかる半導体発光素子は、素子に注入される電流の変化に対して発光ピーク波長のシフトが小さくなり、画像表示装置に好適な発光素子とされる。 Furthermore, the light emitting layer formed in the semiconductor light emitting device according to the present invention has a layer thickness of 1 atomic layer to 8 atomic layer, and according to the light emitting layer having such a layer thickness, a change in injection current is achieved. The shift width of the emission peak wavelength with respect to can be reduced to a sufficient size. As a result, the semiconductor light emitting device according to the present invention has a light emission peak wavelength shift smaller with respect to a change in current injected into the device, and is a light emitting device suitable for an image display device.
例えば、本発明にかかる半導体発光素子は、画像表示装置に好適とされる発光ダイオードの如き広い角度で光を放射することができる発光素子であり、特にマルチカラーディスプレイの如き画像表示装置の光源として好適な青色、又は緑色の光を発光する発光素子である。 For example, the semiconductor light emitting device according to the present invention is a light emitting device capable of emitting light at a wide angle such as a light emitting diode suitable for an image display device, and particularly as a light source of an image display device such as a multi-color display. It is a light-emitting element that emits blue or green light.
本実施形態にかかる半導体発光素子は、有機金属化合物気相成長法(MOCVD(MOVPE)法)によって形成される半導体発光素子であり、例えば、有機金属気相成長装置に導入されたサファイア基板の主面に所要の結晶層を成長させることで形成される発光素子である。 The semiconductor light emitting device according to the present embodiment is a semiconductor light emitting device formed by a metal organic compound vapor phase epitaxy (MOCVD (MOVPE) method). For example, the main component of a sapphire substrate introduced into a metal organic vapor phase epitaxy apparatus. It is a light emitting device formed by growing a required crystal layer on a surface.
図1及び図2を参照しながら、本実施形態にかかる半導体発光素子について詳細に説明する。素子形成を行うためのサファイア基板の主面は、通常、GaN系半導体層を成長させるために用いられるC面であり、水素ガスをキャリアガスとして500℃でトリメチルガリウムとアンモニアとを供給することによって、サファイア基板の主面に30nmの層厚を有するGaN層2を形成する。GaN層2は、その上に結晶成長させる結晶層の下地成長層となり、素子本体を構成する結晶層を形成する際に格子不整合に起因して生じる転位密度を低減し、良質の結晶層を当GaN層2の上に成長させることができる。なお、素子形成を行う基板はサファイア基板に限定されることなく、GaN基板を用いることもできる。
The semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. The main surface of the sapphire substrate for performing element formation is a C surface that is usually used for growing a GaN-based semiconductor layer, and by supplying trimethylgallium and ammonia at 500 ° C. using hydrogen gas as a carrier gas. The
続いて、一旦、トリメチルガリウムの供給を止めて装置内の温度を1050℃まで上げ、再びトリメチルガリウムの供給を開始し、シリコン(Si)ソースであるシランを供給しながらシリコンがドープされたn型GaN層3を2μmの層厚となるように成長させる。
Subsequently, the supply of trimethylgallium is temporarily stopped, the temperature in the apparatus is raised to 1050 ° C., the supply of trimethylgallium is started again, and silicon is doped while supplying silane as a silicon (Si) source. The
さらに、n型GaN層3の上にそれぞれSiがドープされたn型クラッド層4及びn型ガイド層5を順次形成する。n型クラッド層4はAlGaN/GaNの超格子からなる結晶層であり、n型ガイド層5はInGaN層である。
Further, an n-
続いて、シラン及びトリメチルガリウムの供給を止め、キャリアガスを窒素ガスに切り替えた後に装置内の温度を下げ、温度が安定した状態でインジウム(In)ソースであるトリメチルインジウム及びガリウム(Ga)ソースであるトリメチルガリウムを供給し、多重量子井戸層6を形成する。多重量子井戸層6は、InGaN層15、InGaN層16及び障壁層17を順次積層して形成されており、本実施形態においては、多重量子井戸層6は、InGaN層15、InGaN層16及び障壁層17が5周期形成された構造を有する。なお、本実施形態にかかる半導体発光素子1は、5周期の単一量子井戸構造からなる多重量子井戸構造を有するが、多重量子井戸層6を構成する単一量子井戸層の層数は本実施形態の層数に限定されるものではなく、単一量子井戸構造が一つ形成されていても良い。
Subsequently, the supply of silane and trimethylgallium is stopped, the carrier gas is switched to nitrogen gas, the temperature in the apparatus is lowered, and in a state where the temperature is stable, trimethylindium and gallium (Ga) sources that are indium (In) sources are used. A certain trimethylgallium is supplied to form the multiple
InGaN層15は、n型GaN層3と一層目のInGaN層16との間に形成されており、発光層であるInGaN層16よりバンドギャップが大きく、n型ガイド層5よりバンドギャップが小さい半導体層である。InGaN層15は、発光層であるInGaN層16に注入されるキャリアを効率良く閉じ込めるための緩衝層である。また、p型ガイド層7と5層目のInGaN層16との間にそれぞれ形成されるInGaN層15のバンドギャップは、発光層であるInGaN層16のバンドギャップより大きく、且つそれぞれのInGaN層15の外側に形成されるn型ガイド層5及び後述するp型ガイド層7のバンドギャップより小さい。このようなInGaN層15の層厚は、例えば1〜20nm程度が好適であり、これにより、発光層であるInGaN層16に供給されたキャリアを効率良く閉じ込めることが可能となり、発光効率を高めることが可能となる。
The
発光層であるInGaN層16の層厚は1原子層〜8原子層であり、このような層厚を有する発光層によれば、発光波長ピークのシフトが当該発光層に注入される注入電流の変動によって殆ど生じることがない。発光層であるInGaN層16の含まれるInの組成比を所定の値に設定することにより、発光ピーク波長が440nm〜480nmである青色の光、又は発光ピーク波長が500nm〜550nmである緑色の光を発光層から発光させることができ、当該半導体発光素子をマルチカラーディスプレイの如き画像表示装置に好適な発光素子とすることができる。例えば、青色、又は緑色の光を発光させるためには、発光層であるInGaN層4に含まれるInの組成比を15〜40%の範囲に設定されていれば良く、さらに詳しくは、Inの組成比を17〜20%とすれば青色を発光させることができ、Inの組成比を20〜30%とすれば緑色を発光させることが可能である。
The thickness of the
続いて、多重量子井戸層6の上側にp型ガイド層7を形成した後、キャリアガスを水素に切り替え、マグネシウム(Mg)ソースであるシクロペンタジエニルマグネシウム、ガリウム(Ga)ソースであるトリメチルガリウムを供給し、Mgドープのp型クラッド層8及びp型GaN層9を成長させる。さらに、これら半導体層からなる素子本体を有機金属気相成長装置から取り出した後、800℃の窒素雰囲気中で10分間アニールしてp型GaN層9の活性化を行う。
Subsequently, after forming the p-
続いて、n型GaN層が露出するようにリアクティブイオンエッチング(IRE)装置によって素子本体である結晶層を上側からエッチングし、n型GaN層3が露出する面にチタン薄膜とアルミニウム薄膜とを積層したTi/Al多層膜からなるn電極11を形成する。また、p型GaN層9の上面には、Ni薄膜、白金薄膜及び金薄膜からなるNi/Pt/Au多層膜を形成してp電極10とし、半導体発光素子1を完成させる。このような半導体発光素子1は、例えば、光の出射方向の拡がりが大きい発光ダイオードであり、画像表示装置に好適である。
Subsequently, the crystal layer as the element body is etched from above by a reactive ion etching (IRE) apparatus so that the n-type GaN layer is exposed, and a titanium thin film and an aluminum thin film are formed on the surface where the n-
なお、半導体発光素子1を樹脂で被覆された樹脂チップとしても良く、半導体発光素子1を形成する際の転写工程によって半導体発光素子1を樹脂で被覆することも可能である。このような樹脂チップによれば、半導体発光素子を画像表示装置に配置する際のハンドリングも容易に行うことができる。
The semiconductor
次に、本実施形態にかかる半導体発光素子を搭載した画像表示装置の構成について詳細に説明する。図3は、本実施形態にかかる半導体発光素子を搭載したマルチカラーディスプレイの構成を示すブロック図である。 Next, the configuration of the image display device equipped with the semiconductor light emitting element according to the present embodiment will be described in detail. FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a multi-color display equipped with the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
図3に示すように、マルチカラーディスプレイは、発光ダイオードが配置された画像表示部31と、画像信号に応じて画像表示部に駆動電流を供給する駆動部32とから構成されている。
As shown in FIG. 3, the multi-color display includes an
画像表示部31は、画素を構成して赤色、緑色、青色をそれぞれ発光する発光ダイオードを有しており、赤色、緑色、青色の発光ダイオードが一組で一画素を構成している。このような発光ダイオードのうち、青色、又は緑色の光源とされる発光ダイオードの発光層の層厚は1原子層〜8原子層であり、青色の光源とされる発光ダイオードはInの組成比が17%〜20%であり、緑色の光源とされる発光ダイオードのIn組成比は20〜30%とされる。また、このような青色、又は緑色の光源とされる発光ダイオードの素子構造は上述した半導体発光素子1と略同様の構造とされる。
The
駆動部32は、ADコンバータ21、メモリー22、輝度変換部23、γ補正部24、同期分離部25、PLL(Phase Locked Loop)26、同期クロック部27、コントロール部30、コラムドライバー(Column Driver)28、ロードライバー(Row Driver)29から構成される。
The
ADコンバータ21は画像信号の如きアナログ信号をデジタル信号に変換する。画像信号は、RGB信号(R:赤色、G:緑色、B:青色)を含んでおり、メモリー22はデジタル変換された画像信号を記憶し、PLL26と同期しながら画像信号を輝度分離部23に送る。輝度分離部23は、画像信号から輝度信号を分離し、当該輝度信号をコントロール部30に送るとともに画像信号をγ補正部24に送る。γ補正部24は、汎用のγ補正回路であり、例えば入力信号に対してγ=2.2の補正を行った画像信号をコラムドライバー28に送る。
The
コラムドライバー28は、パルス幅変調回路及び電流源から構成される。パルス幅変調回路が画像表示分31に配置された発光ダイオードを駆動するための駆動電流の周波数を制御するとともに、コントロール部30は、コラムドライバー28が有する電流源から供給される駆動電流の振幅を制御する。駆動電流はパルス波形を有し、周波数及び振幅の少なくとも一方が階調に合わせて制御される。このように周波数及び振幅の少なくとも一方が制御される駆動電流によって発光ダイオードを駆動し、画像表示を行う。すなわち、従来、高周波回路を用いてパルス幅変調のみによって階調を制御していた場合に比べ、画像表示部31に配置された発光ダイオードに供給される駆動電流の振幅によって画像表示部31の階調を制御することができる。これにより、階調を表現するために必要な画像信号の周波数変換を軽減することができるだけでなく、より細かな階調を行うことが可能となる。
The
例えば、画像表示部31に形成された画素数が640×480=307200画素である場合には、階調を8bitとすると走査周波数fsは28.8kHz(60Hz×480本)であった。従来、一走査期間でビット数分に対応したパルス信号を生成する必要があることから、PWN周波数は走査周波数fsの256倍(28倍)である7.37MHzだけ必要であった。本実施形態にかかる画像表示装置に配置された発光ダイオードによれば、発光波長ピークのシフトが駆動電流の変化に対して小さい傾向にあることから、駆動電流の振幅によって表示画像の階調を行うことができる。
For example, when the number of pixels formed in the
また、同期分離部25は、水平同期信号及び垂直同期信号を受け取り、PLL26に送る。PLL26は、同期クロック部27に信号を送り、同期クロック部27は、コントロール部30にコラムドライバー28を制御するためのクロック信号を送り、このクロック信号に合わせてコントロール部30は駆動電流の振幅を制御する。また、同期クロック部27はコラムドライバー28とロードライバー29との同期を取る。
Further, the
このように、駆動部32は、画像表示部に表示される画像の階調を表すビット数の情報の一部、又は全てを発光ダイオードを駆動させるための駆動電流の振幅に含ませることができる。これにより、PWM周波数の一部、又は全てを駆動電流の振幅に含ませておくことが可能となり、高周波回路の如き周波数変換回路の負荷を軽減することができる。さらに、表示画像の階調を駆動電流の振幅の制御のみによって行う場合には、高周波回路を画像表示装置に設けることなく表示画像の階調を行うことができる。さらに駆動電流の振幅の変化によって、発光ダイオードの発光ピーク波長のシフト量が小さいことから、色合いの変化が小さい状態で階調を制御することが可能となる。すなわち、本実施形態にかかる画像表示装置によれば、駆動部32への負荷を低減することができるとともに色合いの変化が抑制された高品質の画像表示を行うことが可能となる。
Thus, the
次に、本願発明者等が行った実施例について説明する。なお、実施例で用いる半導体発光素子は上述した半導体発光素子と略同様の素子構造を有することから共通部分を同一の参照符号で示す。
実施例
Next, examples performed by the inventors of the present application will be described. Note that the semiconductor light-emitting elements used in the examples have substantially the same element structure as the semiconductor light-emitting elements described above, and thus common portions are denoted by the same reference numerals.
Example
表1、及び図4乃至図6を参照しながら、本願発明者等が上述した半導体発光素子と略同様の素子構造を有する半導体発光素子を用いて行った実験結果について説明する。本実験においては、半導体発光素子について励起強度に対する発光波長ピークのシフト、半値幅及び発光強度の変化について評価した。 With reference to Table 1 and FIGS. 4 to 6, experimental results conducted by the inventors of the present invention using a semiconductor light emitting device having an element structure substantially similar to the semiconductor light emitting device described above will be described. In this experiment, the semiconductor light emitting device was evaluated for the shift of the emission wavelength peak with respect to the excitation intensity, the half width, and the change of the emission intensity.
表1に、本実験で用いた試料Bの構成を詳細に示す。なお、表1においては、多重量子井戸層6を構成する結晶層のうち、n型ガイド層5の上側に形成されるInGaN層15,16、障壁層17と、p型ガイド層7の下側に形成されるInGaN層15,16のみを示しており、多重量子井戸層6を構成する単一量子井戸層のうちn型ガイド層5側から数えて2乃至4層目の単一量子井戸層は詳細な構造については省略しているが、これら2乃至4層目の単一量子井戸層もn型ガイド層5から数えて1層目及び5層目の単一量子井戸層と略同様の構成を有する。
Table 1 shows the configuration of Sample B used in this experiment in detail. In Table 1, among the crystal layers constituting the multiple
図4は、励起強度に対する試料A,Bの発光波長ピークのシフト量を示すグラフである。図4に示すように、試料Aの発光波長ピークは試料Bの発光波長ピークに比べて励起強度に対する変化が大きい傾向にある。具体的には、試料Bは、励起強度が0.1〜1.0に変化することによって発光波長ピークが約450〜448.5nm程度変化するが、試料Aは同様の励起強度の範囲で発光ピーク波長が約452〜440nm程度まで変化する。すなわち、励起強度が0.1から1.0までの範囲において、試料Aの発光ピーク波長が約12nmシフトするのに対し、試料Bの発光ピーク波長のシフト量は約1.5nmの如き僅かな変化にすぎない。このような励起強度に対する発光ピーク波長のシフト量の傾向は半導体発光素子への注入電流に変動が生じた場合にも同様な傾向を示すことから、1原子層〜8原子層の層厚を有する発光層が形成された半導体発光素子は、発光ピーク波長のシフトが低減される傾向にあることがわかった。 FIG. 4 is a graph showing the shift amount of the emission wavelength peak of samples A and B with respect to the excitation intensity. As shown in FIG. 4, the emission wavelength peak of sample A tends to have a larger change with respect to the excitation intensity than the emission wavelength peak of sample B. Specifically, sample B changes its emission wavelength peak by about 450 to 448.5 nm as the excitation intensity changes from 0.1 to 1.0, but sample A emits light in the same excitation intensity range. The peak wavelength changes to about 452-440 nm. That is, in the range of excitation intensity from 0.1 to 1.0, the emission peak wavelength of sample A shifts by about 12 nm, whereas the shift amount of the emission peak wavelength of sample B is as slight as about 1.5 nm. It's just a change. The tendency of the shift amount of the emission peak wavelength with respect to the excitation intensity shows the same tendency when the injection current to the semiconductor light emitting element fluctuates, and thus has a layer thickness of 1 to 8 atomic layers. It has been found that the semiconductor light emitting device in which the light emitting layer is formed tends to reduce the shift of the emission peak wavelength.
また、本実験から発光層の層厚は1.8nm以下であることがより好ましいと考えられる。さらに、マルチカラーディスプレイの青色、又は緑色の光源に用いられる半導体発光素子は、青色の光を発光させるためにはIn組成比が17〜20%の範囲であれば良い。また、緑色の光を発光させるためには発光層のIn組成比を20〜30%にすれば良い。 From this experiment, it is considered that the thickness of the light emitting layer is more preferably 1.8 nm or less. Furthermore, the semiconductor light emitting element used for the blue or green light source of the multicolor display may have an In composition ratio in the range of 17 to 20% in order to emit blue light. In order to emit green light, the In composition ratio of the light emitting layer may be set to 20 to 30%.
図5は、試料A,Bが発光する際の励起強度に対する発光ピーク波長の半値幅の変化を示すグラフである。図5に示すように、本実験で評価した励起強度の範囲内では全ての励起強度において試料Bの半値幅は試料Aの半値幅より小さく、発光ピーク波長の拡がりが小さいことがわかった。さらに、励起強度に対する半値幅の変化も試料Aに比べて試料Bが小さく、具体的には励起強度が0.1〜1.0の範囲において試料Aの半値幅が約5nm変化するのに対し、試料Bの半値幅の変化は約2nmであった。このように、発光波長の半値幅が低減されていることにより半導体発光素子の色合いの変化を低減することができる。このような半導体発光素子を配置してなる画像表示部を備える画像表示装置は優れた画質を有することになる。 FIG. 5 is a graph showing changes in the half-value width of the emission peak wavelength with respect to the excitation intensity when the samples A and B emit light. As shown in FIG. 5, it was found that the full width at half maximum of sample B was smaller than the full width at half maximum of sample A at all excitation intensities evaluated in this experiment, and the emission peak wavelength spread was small. Further, the change in the half-value width with respect to the excitation intensity is smaller in the sample B than in the sample A. Specifically, the half-value width of the sample A changes by about 5 nm in the range of the excitation intensity of 0.1 to 1.0. The change in the half width of Sample B was about 2 nm. Thus, the change in the hue of the semiconductor light emitting element can be reduced by reducing the half width of the emission wavelength. An image display apparatus including an image display unit in which such semiconductor light emitting elements are arranged has excellent image quality.
さらに、図6は、試料A,Bの励起強度に対する発光強度を示すグラフである。図6に示すように、試料A,Bは両方とも励起強度を増大させるにしたがって発光強度も増大する傾向にあるが、励起強度が約0.3を超える強励起の範囲においては試料Aの発光強度に比べて試料Bの発光強度が大きい傾向にあった。このように、本実験によれば、発光層とされるInGaN層16の層厚を薄くすることにより発光強度を高められることも確認された。なお、試料Bの発光層の層厚は1.8nm(約7原子層)であるが、発光層の層厚が1原子層〜8原子層であれば半導体発光素子の発光効率をその層厚より厚い発光層に比べて高めることができる。
Further, FIG. 6 is a graph showing the emission intensity with respect to the excitation intensity of samples A and B. As shown in FIG. 6, both the samples A and B tend to increase in emission intensity as the excitation intensity is increased. However, in the range of strong excitation in which the excitation intensity exceeds about 0.3, the emission of the sample A The emission intensity of sample B tended to be higher than the intensity. Thus, according to this experiment, it was also confirmed that the emission intensity can be increased by reducing the thickness of the
また、本実施例においては、発光波長が青色の範囲で実験を行ったが、青色より長波長である緑色の波長の範囲においては、通常、ピエゾ電界の影響が大きい。したがって、青色の光を発光させる場合に比べて発光層の層厚を薄くすることはより好ましく、例えば発光ピーク波長が520nmの場合、発光層の層厚は1.5nm以下であることが望ましい。 In this example, the experiment was performed in the range where the emission wavelength was blue. However, in the range of the green wavelength that is longer than blue, the influence of the piezoelectric field is usually large. Therefore, it is more preferable to make the thickness of the light emitting layer thinner than when emitting blue light. For example, when the emission peak wavelength is 520 nm, the thickness of the light emitting layer is preferably 1.5 nm or less.
本実施例によれば、発光層の層厚が1原子層〜8原子層である半導体発光素子は、さらに励起強度の変化による発光波長ピークのシフト量が低減され、9原子層以上の層厚を有する半導体発光素子に比べて発光する光の色純度が高い。特にマルチカラーディスプレイの画像表示部の光源として利用した場合は、当該画像表示装置は従来の発光ダイオードの如き半導体発光素子を用いる場合に比べて優れた画質を表示することができる。 According to this example, in the semiconductor light emitting device having a light emitting layer thickness of 1 atomic layer to 8 atomic layer, the shift amount of the emission wavelength peak due to the change in excitation intensity is further reduced, and the layer thickness of 9 atomic layers or more. Compared with a semiconductor light emitting element having a high color purity of emitted light. In particular, when used as a light source for an image display unit of a multi-color display, the image display device can display superior image quality as compared with a case where a conventional semiconductor light emitting element such as a light emitting diode is used.
さらに、発光層の層厚が8原子層を超える半導体発光素子では色純度が低く、当該半導体発光素子を発光させるための駆動電流の変化によって光の色合いが変化していたのに対し、試料Bの如き半導体発光素子によれば、色純度と色再現範囲を高めることができ、駆動電流の変化による色合いの変化を低減することも可能である。 Further, in the semiconductor light emitting device in which the thickness of the light emitting layer exceeds 8 atomic layers, the color purity is low, and the color of light is changed by the change of the drive current for causing the semiconductor light emitting device to emit light, whereas the sample B According to the semiconductor light emitting device as described above, it is possible to increase the color purity and the color reproduction range, and it is also possible to reduce a change in hue due to a change in driving current.
また、従来のように電流値の変化によって半導体発光素子で発生する光の波長が大きく変化する場合には、駆動電流の振幅が一定とされ、表示される画像の階調を表現するために駆動電流のパルス幅変調を行うための高周波回路が必要であり、且つ駆動電流を変調した後の最小パルス幅にも限界があった。しかしながら、本実験で評価した試料Bの如き半導体発光素子によれば、表示画像の階調の一部若しくは全てを駆動電流の振幅を変調することにより表現することができ、パルス幅変調の如き周波数変換を軽減することができる。特に波長440〜480nm、又は500〜550nmの波長を有する光を発光する半導体発光素子は、それぞれ画像表示装置の青色、又は緑色の光源として用いられることが可能であり、画像表示装置の画質を高めるためには好適である。 In addition, when the wavelength of light generated in the semiconductor light emitting element greatly changes due to a change in current value as in the conventional case, the amplitude of the drive current is fixed and the drive is performed to express the gradation of the displayed image. A high-frequency circuit for performing the pulse width modulation of the current is necessary, and there is a limit to the minimum pulse width after the drive current is modulated. However, according to the semiconductor light emitting device such as Sample B evaluated in this experiment, a part or all of the gradation of the display image can be expressed by modulating the amplitude of the drive current, and the frequency such as pulse width modulation can be expressed. Conversion can be reduced. In particular, a semiconductor light-emitting element that emits light having a wavelength of 440 to 480 nm or 500 to 550 nm can be used as a blue or green light source of an image display device, respectively, and improves the image quality of the image display device. It is suitable for this purpose.
また、試料Bと略同様の素子構造を有し、緩衝層であるInGaN層15のInの組成比を7%に設定し、さらに層厚が20nm以下となるようにInGaN層15を形成した。このような半導体発光素子は、InGaN層15の如き緩衝層を形成しない場合に比べて発光効率が向上した。通常、薄い発光層が形成された半導体発光素子は、電流注入時にキャリアが発光層であるInGaN層16で十分に再結合することによる発光を伴うことなく井戸層を通過するが、発光層であるInGaN層16のn側にエネルギーレベルを外側の半導体層より大きくし、且つ外側の半導体層のエネルギーレベルより小さくすることにより発光層近傍に効果的にキャリアを閉じ込めることができ、発光を伴わずに発光層を通過するキャリアを低減することが可能となる。これにより、発光効率を高めることができる。また、このような緩衝層を発光層のp側に形成しても良く、さらに緩衝層を発光層の両側に形成しても良い。
Further, the
さらにまた、試料Bと略同様の素子構造を有する半導体レーザ素子によれば、レーザ発振させる際の閾値電流を低減することができる。例えば、試料Bの如き半導体発光素子の端面を形成する際に、当該半導体発光素子を構成する結晶層を劈開し、この端面を光共振面とすることにより当該半導体発光素子を半導体レーザ素子とすることができる。このような半導体レーザ素子においても、発光層の層厚が1原子層〜8原子層であることから、自然放出光の発光半値幅が狭く、キャリア密度の増大に伴う発光波長の変化も小さい。このような利点を生かすことにより従来よりも低い閾値電流によってレーザ発振を行うことができる。さらに、発光層にIn組成比を調整することにより480nmより大きな波長領域の波長を有するレーザ光を発生させることも可能である。 Furthermore, according to the semiconductor laser element having the element structure substantially the same as that of the sample B, the threshold current at the time of laser oscillation can be reduced. For example, when forming an end face of a semiconductor light emitting element such as sample B, the crystal layer constituting the semiconductor light emitting element is cleaved, and this end face is used as an optical resonant surface, thereby making the semiconductor light emitting element a semiconductor laser element. be able to. Also in such a semiconductor laser device, since the layer thickness of the light emitting layer is from 1 atomic layer to 8 atomic layer, the emission half-value width of spontaneous emission light is narrow, and the change in the emission wavelength accompanying the increase in carrier density is also small. By taking advantage of such advantages, laser oscillation can be performed with a lower threshold current than in the past. Further, it is possible to generate laser light having a wavelength in a wavelength region larger than 480 nm by adjusting the In composition ratio in the light emitting layer.
1 半導体発光素子
6 多重量子井戸層
17 障壁層
22 メモリー
23 輝度分離部
25 同期分離部
27 同期クロック部
28 コラムドライバー
29 ロードライバー
30 コントロール部
31 画像表示部
32 駆動部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
窒化ガリウム系化合物半導体を主たる材料とし、層厚が1原子層〜8原子層である発光層を有し、
前記発光層に注入される電流の振幅を調整することにより前記画像表示部の階調が制御されること
を特徴とする半導体発光素子。 A semiconductor light emitting element constituting an image display unit of an image display device,
The main material is a gallium nitride compound semiconductor, and the light emitting layer has a thickness of 1 to 8 atomic layers,
The gradation of the image display unit is controlled by adjusting the amplitude of the current injected into the light emitting layer.
前記発光層で発生する光の波長は、青色、又は緑色の光の波長の範囲に含まれること
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 The light emitting layer is a gallium nitride compound semiconductor layer containing indium,
2. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a wavelength of light generated in the light emitting layer is included in a wavelength range of blue or green light.
を特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。 3. The semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the wavelength of light generated in the light emitting layer is included in a wavelength range of 440 to 480 nm or 500 to 550 nm.
を特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。 3. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein a composition ratio of indium in the light emitting layer is 15 to 40%.
前記発光層と、前記p型、又は前記n型の導電性を有する半導体層との間には、前記発光層のバンドギャップより大きく、且つ前記p型、又は前記n型の導電性を有する半導体層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する緩衝層が形成されていること
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 A semiconductor layer having p-type or n-type conductivity is formed on one side of the light emitting layer,
Between the light emitting layer and the semiconductor layer having the p-type or n-type conductivity, a semiconductor having a band gap larger than that of the light-emitting layer and having the p-type or n-type conductivity. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a buffer layer having a band gap smaller than that of the layer is formed.
を特徴とする請求項5記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 5, wherein the buffer layer has a thickness of 1 nm to 20 nm or less.
一の発光層と他の発光層との間に障壁層が形成された多重量子井戸構造を備えること
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 A plurality of the light emitting layers;
The semiconductor light emitting device according to claim 1, comprising a multiple quantum well structure in which a barrier layer is formed between one light emitting layer and another light emitting layer.
前記発光層と重ねて形成される結晶層とからなる積層体を劈開して形成される端面とを備えること
を特徴とする半導体レーザ素子。 A luminescent layer having a gallium nitride compound semiconductor as a main material and a layer thickness of 1 to 8 atomic layers;
A semiconductor laser device comprising: an end face formed by cleaving a stacked body including a crystal layer formed to overlap the light emitting layer.
前記発光層に注入する電流の振幅を調整して前記画像表示部の階調を制御する階調制御手段とを備えること
を特徴とする画像表示装置。 An image display unit formed by disposing a semiconductor light-emitting element having a light-emitting layer whose main layer is a gallium nitride compound semiconductor and having a layer thickness of 1 to 8 atomic layers;
An image display apparatus comprising: gradation control means for controlling the gradation of the image display unit by adjusting an amplitude of current injected into the light emitting layer.
を特徴とする請求項9記載の画像表示装置。 The image display device according to claim 9, wherein the waveform of the current injected into the light emitting layer is a pulse wave.
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Legal Events
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