JP2008277865A - 発光ダイオードの駆動方法、表示装置の駆動方法、電子機器の駆動方法および光通信装置の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動する電流密度による発光波長の変化を１０ｎｍ以下に低減することができる発光ダイオードの駆動方法、表示装置の駆動方法、電子機器の駆動方法および光通信装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層１１がｎ型層１２とｐ型層１３とにより挟まれた構造を有し、これらの発光層１１、ｎ型層１２およびｐ型層１３はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなり、発光層１１はＡｌＧａＩｎＮ層を量子井戸層および障壁層とする多重量子井戸構造からなり、発光層１１の主面がＣ面から０．３度以上２度以下傾斜しており、発光波長が緑色の波長域である発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。
【選択図】図１
【解決手段】Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層１１がｎ型層１２とｐ型層１３とにより挟まれた構造を有し、これらの発光層１１、ｎ型層１２およびｐ型層１３はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなり、発光層１１はＡｌＧａＩｎＮ層を量子井戸層および障壁層とする多重量子井戸構造からなり、発光層１１の主面がＣ面から０．３度以上２度以下傾斜しており、発光波長が緑色の波長域である発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。
【選択図】図１
Description
この発明は、発光ダイオードの駆動方法、発光ダイオード、表示装置の駆動方法、表示装置、電子機器の駆動方法、電子機器、光通信装置の駆動方法および光通信装置に関し、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系の発光ダイオードを用いた各種のディスプレイなどに適用して好適なものである。
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系の発光ダイオード、特に可視域の発光波長を有する発光ダイオードにおいては、駆動する電流密度によって発光波長（色）が変化する現象がある。この現象を利用した駆動方法を用いて発光ダイオードを駆動することにより多色発光を実現することが提案されている（特許文献１参照。）。
しかし、この発光ダイオードを通常のカラー表示装置（ディスプレイ）に利用する場合は、駆動する電流密度によって色が変化する、所望の色域を表現できないという問題が生じる。電流密度によって変化する色や色域に応じて色度を変換する駆動方法も考えられるが、厳密に色を扱う場合は変化する色域の共通部分しか利用できず、本来の色域よりも狭くなる。また、画素数やフレームレートによっては膨大な計算を行う必要があり、信号処理および駆動回路の負担が大きくなる。
しかし、この発光ダイオードを通常のカラー表示装置（ディスプレイ）に利用する場合は、駆動する電流密度によって色が変化する、所望の色域を表現できないという問題が生じる。電流密度によって変化する色や色域に応じて色度を変換する駆動方法も考えられるが、厳密に色を扱う場合は変化する色域の共通部分しか利用できず、本来の色域よりも狭くなる。また、画素数やフレームレートによっては膨大な計算を行う必要があり、信号処理および駆動回路の負担が大きくなる。
上記の現象を回避するため、発光ダイオードをディスプレイに応用する場合には、色を変化させないように、使用する電流密度を一定とし、パルス駆動（パルス密度変調（ＰＤＭ）、パルス幅変調（ＰＷＭ））により輝度信号を表現する技術がある。また、電流密度により色が変化することを利用して電流密度を調整し所望の発光波長とした上で、パルス駆動のみで輝度を変調する技術がある（例えば、特許文献２、３参照。）。これは、特に製造時に色のばらつく発光ダイオードを高品質なディスプレイに応用する場合には有効な技術であるが、発光波長および輝度を調整する手間がかかるため検査・調整のコストが高くなり、信号処理および駆動回路の面でも負担が大きい。また、輝度のダイナミックレンジを広げる場合にはパルスの周波数を上げる必要があり高周波回路も必要になる。
一方、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系の発光ダイオードにおいて、成長基板として微傾斜基板、具体的には主面がＣ面から０．２度以上２度以下傾斜したサファイア基板を用いることが提案されており（例えば、特許文献４参照。）、発光効率やモホロジーの改善が報告されている。しかし、この特許文献４では、発光ダイオードの発光波長の電流密度依存性などについては何ら開示も示唆もされておらず、ディスプレイ応用上の利点も明らかにされていない。
特開２００２−２３７６１９号公報
特開２００３−２２０５２号公報
特開２００５−２６０１１６号公報
米国特許第６６３５９０４号明細書
上述のＩｎＧａＮ／ＧａＮ系の発光ダイオードにおける駆動電流密度に対する発光波長の変化は、Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層を有する発光ダイオードに共通した現象であり、Ｉｎ原子によるキャリアの局在やウルツ鉱構造の結晶における格子不整合に起因したピエゾ電界が原因とされる。この現象が特に顕著なのは緑色の発光の場合であり、通常、発光波長としては５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下、広い色域を特徴とするディスプレイに使用される場合には５１５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下の発光波長の発光ダイオードにおいて問題である。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、駆動する電流密度による発光波長の変化の大幅な低減を図ることができる発光ダイオードの駆動方法および発光ダイオードならびにそのような発光ダイオードの駆動方法を利用した表示装置の駆動方法および表示装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような発光ダイオードの駆動方法を利用した電子機器の駆動方法および電子機器ならびに光通信装置の駆動方法および光通信装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のような発光ダイオードの駆動方法を利用した電子機器の駆動方法および電子機器ならびに光通信装置の駆動方法および光通信装置を提供することである。
本発明者は、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層を有する発光ダイオード、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ系の発光ダイオード、特に緑色発光の発光ダイオードにおいて、成長基板として特定の傾斜角度の微傾斜基板、具体的にはＣ面に対して０．２５度以上２度以下、特に０．３度以上１度以下傾斜（傾斜方向はＡ軸を回転軸としてＭ軸方向）した主面を有する基板を使用することにより、特定の電流密度域、具体的には２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度では電流密度により発光波長がほとんど変化しないことを見出した。この特徴を活かすことにより、この発光ダイオードを用いた表示装置、電子機器、光通信装置などにおいて発光波長（色）の安定化を図ることができる。特に表示装置では、このような電流密度域では電流密度を変化させても色変化がないため、輝度信号の一部を電流振幅の変調で表現することができ、ダイナミックレンジの拡大、駆動周波数の低減、安定した広い色域の表現などが可能となる。
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードの駆動方法であって、
２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードの駆動方法であって、
２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
電流密度による発光波長の変化の低減を図る観点より、発光層の主面はＣ面から０．３度以上傾斜しているのが好ましく、また、１度以下傾斜しているのが好ましい。また、同じく電流密度による発光波長の変化の低減を図る観点より、発光ダイオードを駆動する電流密度は１０Ａ／ｃｍ2 以下であることが好ましく、５Ａ／ｃｍ2 以下であることがより好ましく、２Ａ／ｃｍ2 以下であることがさらに好ましい。
必要に応じて、電流密度による輝度変調に加えてパルス駆動（ＰＤＭ、ＰＷＭなど）による輝度変調を併用するようにしてもよい。
発光ダイオードの発光波長は必要に応じて選ばれるが、例えば、緑色の波長域、具体的には５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下、例えば５１５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下において特に有効である。
必要に応じて、電流密度による輝度変調に加えてパルス駆動（ＰＤＭ、ＰＷＭなど）による輝度変調を併用するようにしてもよい。
発光ダイオードの発光波長は必要に応じて選ばれるが、例えば、緑色の波長域、具体的には５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下、例えば５１５ｎｍ以上５３５ｎｍ以下において特に有効である。
ウルツ鉱（wurtzite）構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶は、最も一般的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的には、ＡｌX Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的にはＡｌX Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなり、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
発光層（活性層）を構成するＩｎを含有する量子井戸構造は、単一量子井戸構造であっても多重量子井戸構造であってもよく、量子井戸層および障壁層の組成は発光波長などに応じて適宜選ばれる。
発光層（活性層）を構成するＩｎを含有する量子井戸構造は、単一量子井戸構造であっても多重量子井戸構造であってもよく、量子井戸層および障壁層の組成は発光波長などに応じて適宜選ばれる。
Ｃ面から０．２５度以上２度以下傾斜している主面を有する発光層を成長させるためには、成長基板として微傾斜基板を用いればよい。この微傾斜基板としては、例えば、Ｃ面から０．２５度以上２度以下傾斜している主面を有するサファイア基板、ＳｉＣ基板、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板（ＧａＮ基板、ＩｎＡｌＧａＮ基板、ＡｌＮ基板など）、ＺｎＯ基板などを用いることができる。このような微傾斜基板上に発光層、ｐ型層およびｎ型層を成長させることにより発光ダイオード構造を形成することができる。これらの層の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長あるいはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの各種のエピタキシャル成長法を用いることができる。
第２の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している
ことを特徴とする発光ダイオードである。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している
ことを特徴とする発光ダイオードである。
上記のように発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜していることにより、電流密度による発光波長の変化を著しく小さくすることができる。
第２の発明においては、上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第２の発明においては、上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第３の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた表示装置の駆動方法であって、
上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた表示装置の駆動方法であって、
上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
表示装置の画面の輝度信号については、発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調することにより輝度信号の一部を表現し、パルス駆動（例えば、ＰＷＭ）と組み合わせて輝度信号を表現するようにしてもよい。この表示装置には各種のものが含まれる。この表示装置は、具体的には、例えば、上記の発光ダイオードを含む画素をマトリックス状に複数配列した発光ダイオードディスプレイ（アクティブマトリックス方式またはパッシブマトリックス方式）、上記の発光ダイオードを少なくとも一つ用いたバックライト（発光ダイオードバックライト）と液晶パネルとを有する透過型または半透過型の液晶ディスプレイ、上記の発光ダイオードを少なくとも一つ用いた光源（発光ダイオード光源）とライトバルブ素子とを有するプロジェクションディスプレイなどである。ライトバルブ素子としては、例えば、透過型または反射型の液晶パネルや、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）、例えばＤＭＤ（digital micro-mirror device)を用いることができる。
上記の発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオードバックライトは、具体的には、例えば、赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードをそれぞれ複数個配列したものであり、赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードが１単位（１画素）を構成する。赤色発光の発光ダイオードとしては、例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いたものを用いることができ、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードとしては例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたものを用いることができるが、これに限定されるものではない。
第３の発明においては、上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第３の発明においては、上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第４の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする表示装置である。
第４の発明においては、上記以外のことについては、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする表示装置である。
第４の発明においては、上記以外のことについては、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
第５の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた電子機器の駆動方法であって、
上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた電子機器の駆動方法であって、
上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
この電子機器は、液晶ディスプレイのバックライト、表示、照明その他の目的で少なくとも一つの発光ダイオードを有するものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含み、具体例を挙げると、上記の各種の表示装置に加えて、携帯電話、モバイル機器、ロボット、パーソナルコンピュータ、車載機器、各種家庭電気製品などである。
第５の発明においては、上記以外のことについては、第１および第３の発明に関連して説明したことが成立する。
第５の発明においては、上記以外のことについては、第１および第３の発明に関連して説明したことが成立する。
第６の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器である。
第６の発明においては、上記以外のことについては、第１〜第３および第５の発明に関連して説明したことが成立する。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器である。
第６の発明においては、上記以外のことについては、第１〜第３および第５の発明に関連して説明したことが成立する。
第７の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた光通信装置の駆動方法であって、
上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた光通信装置の駆動方法であって、
上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした
ことを特徴とするものである。
この光通信装置では、上記の発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調することにより光信号を発生させ、これを光ファイバ、例えばプラスチックファイバを通して伝送することにより光通信を行うことができる。この場合、発光波長の安定化を図ることができるので、信頼性の高い光通信あるいは光伝送を行うことができる。
第７の発明においては、上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第７の発明においては、上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
第８の発明は、
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする光通信装置である。
第８の発明においては、上記以外のことについては、第１および第７の発明に関連して説明したことが成立する。
Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜している発光ダイオードを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする光通信装置である。
第８の発明においては、上記以外のことについては、第１および第７の発明に関連して説明したことが成立する。
上述のように構成された第１、第３、第５および第７の発明においては、発光層の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下傾斜している発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにしていることにより、電流密度による発光波長の変化の大幅な低減を図ることができる。
また、第２、第４、第６および第８の発明においては、発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜していることにより、例えば２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調することで電流密度による発光波長の変化の顕著な低減を図ることができる。
また、第２、第４、第６および第８の発明においては、発光層の主面がＣ面から０．３度以上１度以下傾斜していることにより、例えば２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調することで電流密度による発光波長の変化の顕著な低減を図ることができる。
この発明によれば、発光ダイオードを駆動する電流密度によらず発光波長の安定化を図ることができる。このため、この発光ダイオードを用いた表示装置においては、色再現範囲が広く色の安定した高ダイナミックレンジの表示を実現することができる。特に、この発光ダイオードの駆動方法をＰＷＭ駆動と組み合わせることにより、ＰＷＭ以上のダイナミックレンジの拡大やＰＷＭ周波数の低減をはじめ、輝度補正などを行う場合の信号処理の単純化を図ることができ、信号処理回路、さらには駆動回路の負担軽減を図ることができる。このように、階調・色再現範囲・コスト・信号処理などの多くの面で利点を得ることができる。また、この発光ダイオードを用いた光通信装置においては、発光波長の安定化を図ることができるため、信頼性の高い光通信あるいは光伝送を行うことができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１はこの第１の実施形態において用いるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードは、Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層１１がｎ型層１２とｐ型層１３とにより挟まれた構造を有する。これらの発光層１１、ｎ型層１２およびｐ型層１３はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなる。この場合、これらの発光層１１、ｎ型層１２およびｐ型層１３の主面はＣ面から０．２５度以上２度以下、好適には例えば０．３度以上１度以下の角度θだけ傾斜している。図示は省略するが、ｎ型層１２およびｐ型層１３にはそれぞれｎ側電極およびｐ側電極がオーミック接触して設けられる。
まず、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１はこの第１の実施形態において用いるＧａＮ系発光ダイオードを示す。
図１に示すように、このＧａＮ系発光ダイオードは、Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層１１がｎ型層１２とｐ型層１３とにより挟まれた構造を有する。これらの発光層１１、ｎ型層１２およびｐ型層１３はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなる。この場合、これらの発光層１１、ｎ型層１２およびｐ型層１３の主面はＣ面から０．２５度以上２度以下、好適には例えば０．３度以上１度以下の角度θだけ傾斜している。図示は省略するが、ｎ型層１２およびｐ型層１３にはそれぞれｎ側電極およびｐ側電極がオーミック接触して設けられる。
発光層１１は、単一量子井戸構造からなるものであっても、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造（量子井戸層の層数は典型的には２〜１０、多くて２０層以下）からなるものであってもよい。この場合、量子井戸層の厚さは例えば１原子層以上１００ｎｍ以下（典型的には１ｎｍ以上１０ｎｍ以下）、障壁層の厚さは１原子層以上２００ｎｍ以下（典型的には３ｎｍ以上５０ｎｍ以下）である。これらの量子井戸層および障壁層としては、ＡｌＧａＩｎＮの組成を発光波長に応じて調整した層（例えば、緑色の発光波長とする場合は量子井戸層のＩｎ組成は典型的には１８％以上３０％以下）を用いることができる。発光層１１の典型的な一例を挙げると、ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）とＧａＮ層（障壁層）とを交互に積層したＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ構造を有するものであ。
このようなＧａＮ系発光ダイオードは、図２に示すように、例えば、微傾斜基板２１上にｎ型層１２、発光層１１およびｐ型層１３をＭＯＣＶＤ法などにより順次成長させることにより容易に製造することができる。ただし、微傾斜基板２１上にｐ型層１３、発光層１１およびｎ型層１２を順次成長させるようにしてもよい。微傾斜基板２１としては、Ｃ面から０．２５度以上２度以下、好適には例えば０．３度以上１度以下の角度θだけ傾斜した主面を有するサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などが用いられる。
この第１の実施形態においては、図１に示すようなＧａＮ系発光ダイオードに電流を流して駆動する場合に２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調することを特徴とする。こうすることで、駆動する電流密度によってこのＧａＮ系発光ダイオードの発光波長が変化するのを大幅に抑えることができる。必要に応じて、電流密度による輝度変調とパルス駆動（ＰＷＭやＰＤＭなど）による輝度変調とを組み合わせてもよい。
〈実施例〉
図３に示すように、微傾斜基板２１として、Ｃ面からθ＝０．２度、０．３度、０．４度、０．６度だけ傾斜した主面を有する微傾斜サファイア基板３１を用い、その上に発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層を成長させた。
すなわち、図３に示すように、まず、微傾斜サファイア基板３１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に導入し、この微傾斜サファイア基板３１の表面を基板温度１０５０℃で１０分、水素雰囲気中でクリーニングする。その後、基板温度を５００℃に低下させ、反応炉内に窒素（Ｎ）原料としてアンモニア（ＮＨ3 ）の供給を開始し、さらにガリウム（Ｇａ）原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給して低温成長によるＧａＮバッファ層３２を厚さ２０ｎｍ成長させた。次に、ＴＭＧの供給を停止し、アンモニアの供給は継続しながら基板温度を１０２０℃まで上昇させてから、再びＴＭＧの供給を開始してＧａＮ層３３の成長を開始した。ＧａＮ層３３の厚さが１μｍに達した時点からシリコン（Ｓｉ）原料としてモノシランを供給し、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層３４を成長させた。これらのＧａＮ層３３およびｎ型ＧａＮ層３４の典型的な成長速度は４μｍ／ｈであり、Ｓｉのドーピング濃度は５×１０18／ｃｍ3 前後の濃度に調整した。ここでＴＭＧおよびモノシランの供給を停止し、基板温度を７００℃前後まで低下させ、その途中でキャリアガスである水素を窒素に切り替えた。
図３に示すように、微傾斜基板２１として、Ｃ面からθ＝０．２度、０．３度、０．４度、０．６度だけ傾斜した主面を有する微傾斜サファイア基板３１を用い、その上に発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層を成長させた。
すなわち、図３に示すように、まず、微傾斜サファイア基板３１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に導入し、この微傾斜サファイア基板３１の表面を基板温度１０５０℃で１０分、水素雰囲気中でクリーニングする。その後、基板温度を５００℃に低下させ、反応炉内に窒素（Ｎ）原料としてアンモニア（ＮＨ3 ）の供給を開始し、さらにガリウム（Ｇａ）原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給して低温成長によるＧａＮバッファ層３２を厚さ２０ｎｍ成長させた。次に、ＴＭＧの供給を停止し、アンモニアの供給は継続しながら基板温度を１０２０℃まで上昇させてから、再びＴＭＧの供給を開始してＧａＮ層３３の成長を開始した。ＧａＮ層３３の厚さが１μｍに達した時点からシリコン（Ｓｉ）原料としてモノシランを供給し、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層３４を成長させた。これらのＧａＮ層３３およびｎ型ＧａＮ層３４の典型的な成長速度は４μｍ／ｈであり、Ｓｉのドーピング濃度は５×１０18／ｃｍ3 前後の濃度に調整した。ここでＴＭＧおよびモノシランの供給を停止し、基板温度を７００℃前後まで低下させ、その途中でキャリアガスである水素を窒素に切り替えた。
次に、ｎ型ＧａＮ層３４上に次のようにしてＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ発光層３５を成長させた。すなわち、図４に示すように、基板温度が安定した時点でガリウム原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）の供給を開始し、ｎ型ＧａＮ層３４上に障壁層としてのＧａＮ層３５ａの成長を開始する。ＧａＮ層３５ａの厚さが所定の厚さに達した時点でインジウム（Ｉｎ）原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）をさらに供給し、量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層３５ｂを所定の厚さ成長させ、ＴＭＩの供給を停止することで再び障壁層としてのＧａＮ層３５ａの成長を行う。本実施例では、量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層３５ｂのＩｎ組成は約２３％、厚さは３ｎｍ、障壁層としてのＧａＮ層３５ａの厚さは１５ｎｍ、量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層３５ｂは合計９層とした。微傾斜サファイア基板３１の傾斜角度θにより成長層へのＩｎ取り込み量が異なることを考慮し、θ＝０．３度、０．４度および０．６度の微傾斜サファイア基板３１の場合の成長温度は、θ＝０．２度の微傾斜サファイア基板３１の場合と比較して１０℃下げている。
なお、ＧａＮ層３５ａおよびＩｎＧａＮ層３５ｂは本実施例のように温度一定で継続して成長を行うだけでなく、成長温度を変化させたり成長中断を挿入しながら成長を行うこともできる。また、障壁層であるＩｎＧａＮ層３５ｂは周期的な構造としても非周期的な構造としてもよい。
なお、ＧａＮ層３５ａおよびＩｎＧａＮ層３５ｂは本実施例のように温度一定で継続して成長を行うだけでなく、成長温度を変化させたり成長中断を挿入しながら成長を行うこともできる。また、障壁層であるＩｎＧａＮ層３５ｂは周期的な構造としても非周期的な構造としてもよい。
最後（最上層）の障壁層として厚さ５ｎｍのＧａＮ層３５ａを成長させた後、基板温度を８５０℃に上昇させ、アルミニウム（Ａｌ）原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、マグネシウム（Ｍｇ）原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2 Ｍｇ）を供給することで、図３に示すように、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層３６を厚さ２０ｎｍ成長させた後、アンモニアおよびキャリアガスである窒素以外の原料の供給を停止する。このｐ型ＡｌＧａＮ層３６のＡｌ組成は１５％、Ｍｇのドーピング濃度は５×１０19／ｃｍ3 に調整した。次に、基板温度を９００℃まで上昇させながらキャリアガスを水素に切り替え、ＴＭＧおよびＣＰ2 Ｍｇの供給を開始することでＭｇドープｐ型ＧａＮ層３７を厚さ１８０ｎｍ成長させた。このｐ型ＧａＮ層３７のＭｇのドーピング濃度は１×１０20／ｃｍ3 とした。この後、アンモニアおよびキャリアガスのみ供給しながら基板温度を６００℃まで降温してからアンモニアの供給を停止し、１００℃以下でＭＯＣＶＤ装置から、微傾斜サファイア基板３１上に発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層が成長されたウェハを取り出した。
次に、取り出したウェハを窒素雰囲気中において８００℃で１０分アニールすることでＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層３６およびｐ型ＧａＮ層３７のｐ型不純物の活性化を行った。
次に、図５に示すように、ｐ型ＧａＮ層３７上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えば塩素系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりｎ型ＧａＮ層３４の上層部、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ発光層３５、ｐ型ＡｌＧａＮ層３６およびｐ型ＧａＮ層３７をメサエッチングした。次に、こうして形成されたメサ部のｐ型ＧａＮ層３７上にリフトオフ法などによりｐ側電極３８を形成した。このｐ側電極３８としてはＮｉ／Ａｕ膜を用いた。次に、メサ部に隣接する部分のｎ型ＧａＮ層３４上にｎ側電極３９を形成した。このｎ側電極３９としてはＴｉ／Ａｌ膜を用いた。
次に、劈開などによりウェハをチップ化する。
必要に応じてこの後、発光ダイオードチップを樹脂モールドしたり、リードフレームや反射鏡を有するパッケージへのマウントを行ってもよい。
次に、図５に示すように、ｐ型ＧａＮ層３７上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えば塩素系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりｎ型ＧａＮ層３４の上層部、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ発光層３５、ｐ型ＡｌＧａＮ層３６およびｐ型ＧａＮ層３７をメサエッチングした。次に、こうして形成されたメサ部のｐ型ＧａＮ層３７上にリフトオフ法などによりｐ側電極３８を形成した。このｐ側電極３８としてはＮｉ／Ａｕ膜を用いた。次に、メサ部に隣接する部分のｎ型ＧａＮ層３４上にｎ側電極３９を形成した。このｎ側電極３９としてはＴｉ／Ａｌ膜を用いた。
次に、劈開などによりウェハをチップ化する。
必要に応じてこの後、発光ダイオードチップを樹脂モールドしたり、リードフレームや反射鏡を有するパッケージへのマウントを行ってもよい。
図６〜図９にそれぞれθ＝０．２度、０．３度、０．４度、０．６度の微傾斜サファイア基板３１上に発光ダイオード構造を形成するＧａＮ系半導体層を成長させて製造したＧａＮ系発光ダイオードの発光ピーク波長の電流密度依存性を０．０６〜６００Ａ／ｃｍ2 の電流密度域で測定した結果を示す。図６に示すように、θ＝０．２度では、この電流密度域で４０ｎｍに近い大きな波長シフトが観測される。これに対し、図７に示すように、θ＝０．３度では、２Ａ／ｃｍ2 で約−３ｎｍ、５Ａ／ｃｍ2 で約−４ｎｍ、１０Ａ／ｃｍ2 で約−７ｎｍ、２０Ａ／ｃｍ2 で約−１０ｎｍしかシフトしていない。また、図８に示すように、θ＝０．４度では、２Ａ／ｃｍ2 までは全く波長シフトが観測されず、５Ａ／ｃｍ2 で約−４ｎｍ、１０Ａ／ｃｍ2 で約−５ｎｍ、２０Ａ／ｃｍ2 で約−７ｎｍしかシフトしていない。さらに、図９に示すように、θ＝０．６度でも、１０Ａ／ｃｍ2 で約−５ｎｍ、２０Ａ／ｃｍ2 で約−７ｎｍしかシフトしていない。データは省略するが、θ＝０度（傾斜なし）およびθ＝０．１度ではθ＝０．２度の場合と同様に大きな波長シフトが観測され、θ＝１度でもθ＝０．６度とほぼ同様に低電流密度で波長シフトが小さい現象が観測された。この効果は、量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層３５ｂの成長時の表面の原子ステップの状態が影響していると考えられ、同じ傾斜面を実現できれば微傾斜サファイア基板３１だけでなく微傾斜ＳｉＣ基板や微傾斜ＧａＮ基板などを用いても同様な効果を得ることができる。図１０および図１１にそれぞれθ＝０．２度およびθ＝０．４度のＧａＮ系発光ダイオードのエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを示し、ピーク波長はそれぞれ約５２０ｎｍおよび約５１５ｎｍである。
一般に、全く波長シフトなしでＧａＮ系発光ダイオードを駆動するには電流密度は例えば２Ａ／ｃｍ2 以下、人間の目で認識し難いレベル（例えば、Δｕ’ｖ’＜０．０１）に抑制するなら例えば５Ａ／ｃｍ2 もしくは１０Ａ／ｃｍ2 以下、色の違いは認識できるものの応用上問題の少ないレベルや若干の色補正と組み合わせるなら例えば２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度とすることが望ましい。この範囲の電流密度変化で輝度を変調することで色変化の問題を低減することができ、さらにパルス駆動（ＰＷＭやＰＤＭ）と組み合わせれば従来以上の幅広い輝度のダイナミックレンジも可能となる。このような特徴はディスプレイ、特に広い色再現範囲やダイナミックレンジを特徴とする高品質なディスプレイ応用において有用である。
以上のように、この第１の実施形態によれば、発光層１１の主面がＣ面から０．２５度以上２度以下、好適には例えば０．３度以上１度以下の角度θだけ傾斜しているＧａＮ系発光ダイオードを駆動する場合に２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにしていることにより、駆動する電流密度によるこのＧａＮ系発光ダイオードの発光波長の変化の大幅な低減を図ることができ、発光波長の安定化を図ることができる。特に、電流密度による波長シフトの現象が顕著な緑色の発光についても、発光波長の安定化を図ることができ、緑色発光の発光ダイオードにこのＧａＮ系発光ダイオードおよび駆動方法を用いることにより、高品質の画像を表示することができる発光ダイオードディスプレイを実現することができる。
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態においては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードおよび駆動方法を緑色発光の発光ダイオードに適用した発光ダイオードバックライトを白色光源として用いた透過型液晶ディスプレイについて説明する。
図１２はこの第２の実施形態による透過型液晶ディスプレイを示す。
図１２に示すように、この透過型液晶ディスプレイにおいては、液晶パネル５１の背面にプリズム板５２および拡散板５３を介して発光ダイオードバックライト５４が設けられている。
図１２はこの第２の実施形態による透過型液晶ディスプレイを示す。
図１２に示すように、この透過型液晶ディスプレイにおいては、液晶パネル５１の背面にプリズム板５２および拡散板５３を介して発光ダイオードバックライト５４が設けられている。
発光ダイオードバックライト５４においては、赤色発光の発光ダイオード５５、二つの緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８からなるセルがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向のセル数は必要に応じて選ばれる。符号５５ａ、５６ａ、５７ａ、５８ａは凸レンズを示す。ただし、凸レンズ５５ａ、５６ａ、５７ａ、５８ａの代わりに、用途や光学設計などに応じて、凹レンズやその他の複雑な形状のレンズを用いてもよい。赤色発光の発光ダイオード５５としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光の発光ダイオード５６、５７としては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。青色発光の発光ダイオード５８としては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。赤色発光の発光ダイオード５５は駆動回路５９により駆動され、緑色発光の発光ダイオード５６、５７は駆動回路６０により駆動され、青色発光の発光ダイオード５８は駆動回路６１により駆動されるようになっている。各セルの駆動回路５９、６０、６１はバックライトコントローラ６２により制御されるようになっており、さらにこのバックライトコントローラ６２はディスプレイコントローラ６３により制御されるようになっている。各セルには光センサ６４が設けられている。この光センサ６４により赤色発光の発光ダイオード５５、緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８の発光強度が検出され、この光センサ６４の出力がバックライトコントローラ６２に入力されるようになっている。
一方、液晶パネル５１は駆動回路６５により駆動されるようになっており、さらにこの駆動回路６５はディスプレイコントローラ６３により制御されるようになっている。
この場合、緑色発光の発光ダイオード５６、５７として用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオード５５および青色発光の発光ダイオード５８を駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
一方、液晶パネル５１は駆動回路６５により駆動されるようになっており、さらにこの駆動回路６５はディスプレイコントローラ６３により制御されるようになっている。
この場合、緑色発光の発光ダイオード５６、５７として用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオード５５および青色発光の発光ダイオード５８を駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
この透過型液晶ディスプレイにおいては、例えば、画面全体の明るさやその画面の中での明暗の領域などに応じて発光ダイオードバックライト５４の輝度を制御し、ダイナミックレンジの拡大および消費電力の低減を行う。従来はこの画面の輝度制御に主にＰＷＭ変調が用いられていたが、この透過型液晶ディスプレイにおいては、発光ダイオードバックライト５４の各セルを構成する赤色発光の発光ダイオード５５、緑色発光の発光ダイオード５６、５７および青色発光の発光ダイオード５８を２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で電流振幅変調し、ＰＷＭ変調と組み合わせて輝度変調することでダイナミックレンジの大幅な拡大を図ることができる。また、同じダイナミックレンジであれば、パルス駆動周波数の低減を図ることができる。
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態においては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードからなる緑色発光の発光ダイオード光源、赤色発光の発光ダイオード光源および青色発光の発光ダイオード光源と透過型液晶パネルからなるライトバルブ素子とを組み合わせたプロジェクションディスプレイについて説明する。
図１３はこの第３の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す。
図１３に示すように、このプロジェクションディスプレイにおいては、ダイクロイックプリズム７１の互いに直交する三面に近接して高温多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）液晶パネル７２、７３、７４が設けられている。高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７２の背面側には赤色発光の発光ダイオードパネル７５が設けられ、高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７３の背面側には緑色発光の発光ダイオードパネル７６が設けられ、高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７４の背面側には青色発光の発光ダイオードパネル７７が設けられている。ダイクロイックプリズム７１の残りの一面に対向してプロジェクションレンズ７８が設けられている。
図１３はこの第３の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す。
図１３に示すように、このプロジェクションディスプレイにおいては、ダイクロイックプリズム７１の互いに直交する三面に近接して高温多結晶シリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）液晶パネル７２、７３、７４が設けられている。高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７２の背面側には赤色発光の発光ダイオードパネル７５が設けられ、高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７３の背面側には緑色発光の発光ダイオードパネル７６が設けられ、高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７４の背面側には青色発光の発光ダイオードパネル７７が設けられている。ダイクロイックプリズム７１の残りの一面に対向してプロジェクションレンズ７８が設けられている。
赤色発光の発光ダイオードパネル７５においては、基板７５ａ上に赤色発光の発光ダイオード７５ｂがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向の発光ダイオード７５ｂの数は必要に応じて選ばれる。これらの発光ダイオード７５ｂとしては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。これらの発光ダイオード７５ｂのｐ型層側は配線電極７５ｃと接続されており、ｎ型層側は透明電極７５ｄと接続されている。透明電極７５ｄ上には各発光ダイオード７５ｂに対応した位置に凸レンズ７５ｅが設けられている。また、緑色発光の発光ダイオードパネル７６においては、基板７６ａ上に緑色発光の発光ダイオード７６ｂがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向の発光ダイオード７６ｂの数は必要に応じて選ばれる。この発光ダイオード７６ｂとしては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。これらの発光ダイオード７６ｂのｐ型層側は配線電極７６ｃと接続されており、ｎ型層側は透明電極７６ｄと接続されている。透明電極７６ｄ上には各発光ダイオード７６ｂに対応した位置に凸レンズ７６ｅが設けられている。また、青色発光の発光ダイオードパネル７７においては、基板７７ａ上に青色発光の発光ダイオード７７ｂがマトリックス状に配列されている。縦方向および横方向の発光ダイオード７７ｂの数は必要に応じて選ばれる。これらの発光ダイオード７７ｂとしては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。これらの発光ダイオード７７ｂのｐ型層側は配線電極７７ｃと接続されており、ｎ型層側は透明電極７７ｄと接続されている。透明電極７７ｄ上には各発光ダイオード７７ｂに対応した位置に凸レンズ７７ｅが設けられている。
このプロジェクションディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオードパネル７５からの赤色の光、緑色発光の発光ダイオードパネル７６からの緑色の光および青色発光の発光ダイオードパネル７７からの青色の光はそれぞれ高温多結晶シリコンＴＦＴ液晶パネル７２、７３、７４により透過が制御され、これらの赤色の光、緑色の光および青色の光がダイクロイックプリズム７１で合成されて画像が形成され、この画像がプロジェクションレンズ７８を介してスクリーン７９に投影される。
この場合、緑色発光の発光ダイオードパネル７６において緑色発光の発光ダイオード７６ｂとして用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオードパネル７５における赤色発光の発光ダイオード７５ｂおよび青色発光の発光ダイオードパネル７７における青色発光の発光ダイオード７７ｂを駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
この場合、緑色発光の発光ダイオードパネル７６において緑色発光の発光ダイオード７６ｂとして用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオードパネル７５における赤色発光の発光ダイオード７５ｂおよび青色発光の発光ダイオードパネル７７における青色発光の発光ダイオード７７ｂを駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
このプロジェクションディスプレイにおいては、画面の明るさに応じて光源の明るさを変えるような駆動を行うことが有効であるが、赤色発光の発光ダイオードパネル７５における赤色発光の発光ダイオード７５ｂ、緑色発光の発光ダイオードパネル７６における緑色発光の発光ダイオード７６ｂおよび青色発光の発光ダイオードパネル７７における青色発光の発光ダイオード７７ｂを２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で電流振幅変調し、ＰＷＭ変調と組み合わせることでダイナミックレンジの大幅な拡大を図ることができる。また、同じダイナミックレンジであれば、パルス駆動周波数の低減を図ることができる。
次に、この発明の第４の実施形態について説明する。この第４の実施形態においては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードからなる緑色発光の発光ダイオード光源、赤色発光の発光ダイオード光源および青色発光の発光ダイオード光源とＤＭＤからなるライトバルブ素子とを組み合わせたプロジェクションディスプレイについて説明する。
図１４はこの第４の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す。
図１４に示すように、このプロジェクションディスプレイにおいては、ダイクロイックプリズム８１の互いに直交する三面に対向して赤色発光のパワー発光ダイオード８２、緑色発光のパワー発光ダイオード８３および青色発光のパワー発光ダイオード８４が設けられている。赤色発光のパワー発光ダイオード８２としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光のパワー発光ダイオード８３としては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。青色発光のパワー発光ダイオード８４としては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。赤色発光のパワー発光ダイオード８２は発光面上に凸レンズ８２ａを有し、裏面に放熱フィン８２ｂを有する。このパワー発光ダイオード８２からの光は凸レンズ８２ａを通った後、導光部材８５によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。緑色発光のパワー発光ダイオード８３は発光面上に凸レンズ８３ａを有し、裏面に放熱フィン８３ｂを有する。このパワー発光ダイオード８３からの光は凸レンズ８３ａを通った後、導光部材８６によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。青色発光のパワー発光ダイオード８４は発光面上に凸レンズ８４ａを有し、裏面に放熱フィン８４ｂを有する。このパワー発光ダイオード８４からの光は凸レンズ８４ａを通った後、導光部材８７によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。
図１４はこの第４の実施形態によるプロジェクションディスプレイを示す。
図１４に示すように、このプロジェクションディスプレイにおいては、ダイクロイックプリズム８１の互いに直交する三面に対向して赤色発光のパワー発光ダイオード８２、緑色発光のパワー発光ダイオード８３および青色発光のパワー発光ダイオード８４が設けられている。赤色発光のパワー発光ダイオード８２としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光のパワー発光ダイオード８３としては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。青色発光のパワー発光ダイオード８４としては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。赤色発光のパワー発光ダイオード８２は発光面上に凸レンズ８２ａを有し、裏面に放熱フィン８２ｂを有する。このパワー発光ダイオード８２からの光は凸レンズ８２ａを通った後、導光部材８５によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。緑色発光のパワー発光ダイオード８３は発光面上に凸レンズ８３ａを有し、裏面に放熱フィン８３ｂを有する。このパワー発光ダイオード８３からの光は凸レンズ８３ａを通った後、導光部材８６によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。青色発光のパワー発光ダイオード８４は発光面上に凸レンズ８４ａを有し、裏面に放熱フィン８４ｂを有する。このパワー発光ダイオード８４からの光は凸レンズ８４ａを通った後、導光部材８７によりダイクロイックプリズム８１の面上に投射される。
ダイクロイックプリズム８１の残りの一面に対向してＤＭＤ８８が設けられている。赤色発光のパワー発光ダイオード８２からの赤色の光、緑色発光のパワー発光ダイオード８３からの緑色の光および青色発光のパワー発光ダイオード８４からの青色の光はダイクロイックプリズム８１で混合されて白色光とされ、この白色光がＤＭＤ８８に入射して画像が形成され、この画像がプロジェクションレンズ８９を介してスクリーン９０に投影される。
この場合、緑色発光のパワー発光ダイオード８３として用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光のパワー発光ダイオード８２および青色発光のパワー発光ダイオード８４を駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
このようなプロジェクションディスプレイにおいては、一般に、ＤＭＤ８８が単板式の場合はＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の信号が時分割され、またＤＭＤ８８自身、時分割で階調を表現するためさらに光源の輝度を変調する場合、ＰＷＭではそれらの周波数を大幅に超える周波数が要求される。これに対して、この第４の実施形態においては、必ずしもＰＷＭで変調を行う必要がなく電流振幅制御で輝度変調が可能であり、ＰＷＭと組み合わせる場合においてもダイナミックレンジの大幅な拡大やパルス駆動周波数の低減も可能である。
このようなプロジェクションディスプレイにおいては、一般に、ＤＭＤ８８が単板式の場合はＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の信号が時分割され、またＤＭＤ８８自身、時分割で階調を表現するためさらに光源の輝度を変調する場合、ＰＷＭではそれらの周波数を大幅に超える周波数が要求される。これに対して、この第４の実施形態においては、必ずしもＰＷＭで変調を行う必要がなく電流振幅制御で輝度変調が可能であり、ＰＷＭと組み合わせる場合においてもダイナミックレンジの大幅な拡大やパルス駆動周波数の低減も可能である。
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。
図１５はこの第５の実施形態によるパッシブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す。
図１５に示すように、この発光ダイオードディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオード１０１と第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードからなる緑色発光の発光ダイオード１０２と青色発光の発光ダイオード１０３とからなる画素がマトリックス状に配列されている。赤色発光の発光ダイオード１０１としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光の発光ダイオード１０２としては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。青色発光の発光ダイオード１０３としては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。縦方向および横方向の画素数は必要に応じて選ばれる。符号Ｃ1 、Ｃ2 、…、Ｃ10、…は行選択線（アドレス線）を示し、行駆動回路１０４に接続されている。符号Ｒ1 、Ｒ2 、…、Ｒ9 、…は列選択線（信号線）を示し、列駆動回路１０５に接続されている。ＰＬＬ（位相同期ループ）／タイミング回路１０６により行駆動回路１０４および列駆動回路１０５が制御されて画素が選択されるとともに、画像データ回路１０７から行駆動回路１０４にＲＧＢ信号が供給される。このＲＧＢ信号に応じて、選択された画素の赤色発光の発光ダイオード１０１、緑色発光の発光ダイオード１０２および青色発光の発光ダイオード１０３に電流が流されて駆動される。駆動走査方式としては、点順次駆動走査方式や線順次駆動走査方式などが用いられる。
この場合、緑色発光の発光ダイオード１０２として用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオード１０１および青色発光の発光ダイオード１０３を駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
図１５はこの第５の実施形態によるパッシブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す。
図１５に示すように、この発光ダイオードディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオード１０１と第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードからなる緑色発光の発光ダイオード１０２と青色発光の発光ダイオード１０３とからなる画素がマトリックス状に配列されている。赤色発光の発光ダイオード１０１としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光の発光ダイオード１０２としては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。青色発光の発光ダイオード１０３としては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。縦方向および横方向の画素数は必要に応じて選ばれる。符号Ｃ1 、Ｃ2 、…、Ｃ10、…は行選択線（アドレス線）を示し、行駆動回路１０４に接続されている。符号Ｒ1 、Ｒ2 、…、Ｒ9 、…は列選択線（信号線）を示し、列駆動回路１０５に接続されている。ＰＬＬ（位相同期ループ）／タイミング回路１０６により行駆動回路１０４および列駆動回路１０５が制御されて画素が選択されるとともに、画像データ回路１０７から行駆動回路１０４にＲＧＢ信号が供給される。このＲＧＢ信号に応じて、選択された画素の赤色発光の発光ダイオード１０１、緑色発光の発光ダイオード１０２および青色発光の発光ダイオード１０３に電流が流されて駆動される。駆動走査方式としては、点順次駆動走査方式や線順次駆動走査方式などが用いられる。
この場合、緑色発光の発光ダイオード１０２として用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオード１０１および青色発光の発光ダイオード１０３を駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
この発光ダイオードディスプレイにおいては、画面内の輝度信号を表現するためにＰＷＭを用い、画面全体の明るさを変えるために振幅変調を用いることが可能である。すなわち、駆動する電流密度による発光波長の変化が顕著な緑色発光の発光ダイオード１０２として第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードを用い、このＧａＮ系発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにしていることにより、赤色発光の発光ダイオード１０１、緑色発光の発光ダイオード１０２および青色発光の発光ダイオード１０３のいずれも電流密度による発光波長の変化を抑えることができるため、このような振幅変調を用いても色の変化が非常に小さい。
次に、この発明の第６の実施形態について説明する。
図１６はこの第６の実施形態によるアクティブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す。
図１６に示すように、この発光ダイオードディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオード１１１と第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードからなる緑色発光の発光ダイオード１１２と青色発光の発光ダイオード１１３とアクティブ素子１１４とからなる画素がマトリックス状に配列されている。赤色発光の発光ダイオード１１１としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光の発光ダイオード１１２としては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。青色発光の発光ダイオード１１３としては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。縦方向および横方向の画素数は必要に応じて選ばれる。これらの赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３のｎ型層側は接地線１１５と接続され、ｐ型層側はアクティブ素子１１４と接続されている。アクティブ素子１１４は赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３を駆動する能力を有する素子であり、例えばシリコン集積回路などからなる。符号Ｃ1 、Ｃ2 、…、Ｃ6 、…は行選択線（アドレス線）を示し、行駆動回路１１６に接続されている。符号Ｒ1 、Ｒ2 、…、Ｒ6 、…は列選択線（信号線）を示し、列駆動回路１１７に接続されている。行駆動回路１１６および列駆動回路１１７により選択された画素のアクティブ素子１１４が駆動され、これによってこの画素の赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３に電流が流されて駆動される。
この場合、緑色発光の発光ダイオード１１２として用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオード１１１および青色発光の発光ダイオード１１３を駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
図１６はこの第６の実施形態によるアクティブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイを示す。
図１６に示すように、この発光ダイオードディスプレイにおいては、赤色発光の発光ダイオード１１１と第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードからなる緑色発光の発光ダイオード１１２と青色発光の発光ダイオード１１３とアクティブ素子１１４とからなる画素がマトリックス状に配列されている。赤色発光の発光ダイオード１１１としては例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードが用いられる。緑色発光の発光ダイオード１１２としては、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。青色発光の発光ダイオード１１３としては例えばＧａＮ系発光ダイオードが用いられる。縦方向および横方向の画素数は必要に応じて選ばれる。これらの赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３のｎ型層側は接地線１１５と接続され、ｐ型層側はアクティブ素子１１４と接続されている。アクティブ素子１１４は赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３を駆動する能力を有する素子であり、例えばシリコン集積回路などからなる。符号Ｃ1 、Ｃ2 、…、Ｃ6 、…は行選択線（アドレス線）を示し、行駆動回路１１６に接続されている。符号Ｒ1 、Ｒ2 、…、Ｒ6 、…は列選択線（信号線）を示し、列駆動回路１１７に接続されている。行駆動回路１１６および列駆動回路１１７により選択された画素のアクティブ素子１１４が駆動され、これによってこの画素の赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３に電流が流されて駆動される。
この場合、緑色発光の発光ダイオード１１２として用いられる、第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードは２０Ａ／ｃｍ2 以下、好ましくは１０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する。これに対して、赤色発光の発光ダイオード１１１および青色発光の発光ダイオード１１３を駆動する電流密度は２０Ａ／ｃｍ2 以下に制約されない。
このアクティブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイにおいては、点順次駆動走査方式や線順次駆動走査方式などを用いるパッシブマトリックス方式の発光ダイオードディスプレイと比較して、各画素の同時点灯が可能になるため各画素を構成する赤色発光の発光ダイオード１１１、緑色発光の発光ダイオード１１２および青色発光の発光ダイオード１１３の瞬間的なピーク輝度の低減を図ることができる。その結果、これらの発光ダイオード１１１、１１２、１１３に流す電流の電流振幅の大幅な低減を図ることができる（例えば、１０８０本の線順次駆動走査と比較すれば単純には１／１０８０に低減できる）ため、低い電流密度での波長シフトの小さい第１の実施形態による駆動方法、すなわち２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調する方法は有効である。アクティブ素子１１４の駆動は、電流振幅のみ、ＰＷＭのみ、両者の組み合わせのいずれで行うこともできるが、ＰＷＭのみで行う場合と比較して、ＰＷＭと電流振幅とを組み合わせても色の変化が小さいので、単純な電流振幅変調とＰＷＭとを組み合わせた場合でも動作周波数の低いアクティブ素子１１４を利用することができる。
また、ディスプレイ製造時の画面の輝度ばらつきを測定しておき、この測定結果に応じて各画素の発光ダイオード１１１、１１２、１１３を駆動する電流振幅を制御してその輝度ばらつきを補正することができる。また、映像信号はＰＷＭのみで表現することで、輝度補正による階調低下分がなく、また信号処理を単純化することができる。
また、ディスプレイ製造時の画面の輝度ばらつきを測定しておき、この測定結果に応じて各画素の発光ダイオード１１１、１１２、１１３を駆動する電流振幅を制御してその輝度ばらつきを補正することができる。また、映像信号はＰＷＭのみで表現することで、輝度補正による階調低下分がなく、また信号処理を単純化することができる。
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第１〜第６の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセス、回路構成などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセス、回路構成などを用いてもよい。
例えば、上述の第１〜第６の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセス、回路構成などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセス、回路構成などを用いてもよい。
１１…発光層、１２…ｎ型層、１３…ｐ型層、２１…微傾斜基板、３１…微傾斜サファイア基板、３４…ｎ型ＧａＮ層、３５…ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ発光層、３６…ｐ型ＡｌＧａＮ層、３７…ｐ型ＧａＮ層、５４…発光ダイオードバックライト、５５、７５ｂ、１０１、１１１…赤色発光の発光ダイオード、５６、５７、７６ｂ、１０２、１１２…緑色発光の発光ダイオード、５８、７７ｂ、１０３、１１３…青色発光の発光ダイオード、７８、８９…プロジェクションレンズ、７９、９０…スクリーン、８２…赤色発光のパワー発光ダイオード、８３…緑色発光のパワー発光ダイオード、８４…青色発光のパワー発光ダイオード、１０４、１１６…行駆動回路、１０５、１１７…列駆動回路、１１４…アクティブ素子
Claims (10)
- Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなり、上記発光層はＡｌＧａＩｎＮ層を量子井戸層および障壁層とする多重量子井戸構造からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上２度以下傾斜しており、発光波長が緑色の波長域である発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした発光ダイオードの駆動方法。
- 上記発光層の主面がＣ面から０．４度以上２度以下傾斜している請求項１記載の発光ダイオードの駆動方法。
- Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなり、上記発光層はＡｌＧａＩｎＮ層を量子井戸層および障壁層とする多重量子井戸構造からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上２度以下傾斜しており、発光波長が緑色の波長域である発光ダイオードを少なくとも一つ用いた表示装置を駆動する場合に、上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした表示装置の駆動方法。
- 上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調することにより輝度信号の一部を表現するようにした請求項３記載の表示装置の駆動方法。
- 上記表示装置は上記発光ダイオードを含む画素をマトリックス状に複数配列した発光ダイオードディスプレイである請求項３記載の表示装置の駆動方法。
- 上記表示装置は上記発光ダイオードを少なくとも一つ用いたバックライトと液晶パネルとを有する透過型または半透過型の液晶ディスプレイである請求項３記載の表示装置の駆動方法。
- 上記表示装置は上記発光ダイオードを少なくとも一つ用いた光源とライトバルブ素子とを有するプロジェクションディスプレイである請求項３記載の表示装置の駆動方法。
- 上記ライトバルブ素子は液晶パネルまたはＤＭＤである請求項７記載の表示装置の駆動方法。
- Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなり、上記発光層はＡｌＧａＩｎＮ層を量子井戸層および障壁層とする多重量子井戸構造からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上２度以下傾斜しており、発光波長が緑色の波長域である発光ダイオードを少なくとも一つ用いた電子機器を駆動する場合に、上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした電子機器の駆動方法。
- Ｉｎを含有する量子井戸構造からなる発光層がｐ型層とｎ型層とにより挟まれた構造を有し、上記発光層、上記ｐ型層および上記ｎ型層はウルツ鉱構造を有するＧａＮ系化合物半導体結晶からなり、上記発光層はＡｌＧａＩｎＮ層を量子井戸層および障壁層とする多重量子井戸構造からなり、上記発光層の主面がＣ面から０．３度以上２度以下傾斜しており、発光波長が緑色の波長域である発光ダイオードを少なくとも一つ用いた光通信装置を駆動する場合に、上記発光ダイオードを２０Ａ／ｃｍ2 以下の電流密度で輝度変調するようにした光通信装置の駆動方法。
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