(57)【要約】【課題】少ない材料で、発光色の制御が容易である色可変発光素子とそれを用いたディスプレイを提供する。【解決手段】第１の不純物を添加した第１の結晶層と、第２の不純物を添加した第２の結晶層と、第３の不純物を添加した第３の結晶層が積層されてなり、その積層された結晶の両端に第１の電極と第２の電極が設けられ、第１の結晶層の面に第３の電極が設けられ、第３の結晶層の面に第４の電極が設けられ、第１と第２の電極に電圧を印加することにより、第１の結晶層、第２の結晶層、第３の結晶層内に電子を走行させ、第１の不純物、第２の不純物、第３の不純物に電子を衝突させることにより、不純物を励起状態にし、その励起状態から基底状態に戻るときに発光する色可変発光素子であって、電子の走行する経路を第３の電極と第４の電極に印加する電圧により制御することにより発光色を変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の不純物を添加した第１の結晶層と、第２の不純物を添加した第２の結晶層と、第３の不純物を添加した第３の結晶層が積層されてなり、
その積層された結晶の両端に第１の電極と第２の電極が設けられ、
前記第１の結晶層の前記第２の結晶層とは反対側の面に第３の電極が設けられ、
前記第３の結晶層の前記第２の結晶層とは反対側の面に第４の電極が設けられ、
前記第１と第２の電極に電圧を印加することにより、前記第１の結晶層、前記第２の結晶層、前記第３の結晶層内に電子を走行させ、前記第１の不純物、前記第２の不純物、前記第３の不純物に前記電子を衝突させることにより、前記第１の不純物、前記第２の不純物、前記第３の不純物を励起状態にし、その励起状態から基底状態に戻るときに発光する色可変発光素子であって、
前記電子の走行する経路を前記第３の電極と前記第４の電極に印加する電圧により制御することにより発光色を変化させることを特徴とする色可変発光素子。
【請求項２】
前記第１の結晶層と前記第２の結晶層と前記第３の結晶層は、同一のバンドギャップをもつ結晶であることを特徴とする請求項１記載の色可変発光素子。
【請求項３】
前記第１の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに青色発光をし、前記第２の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに緑色発光をし、前記第３の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに赤色発光をすることを特徴とする請求項１または２記載の色可変発光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項の前記色可変発光素子を単位画素として面内に前記単位画素を複数配列し、前記単位画素毎の前記第１の電極と前記第２の電極に印加する電圧を制御する輝度制御部と、前記単位画素毎の前記第３の電極と前記第４の電極に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有することを特徴とする色可変発光素子を用いたディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色可変発光素子とそれを用いたディスプレイに関し、特に、電圧を印加することにより発光色が変化する色可変発光素子とそれを用いたディスプレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＧａＮ系などを用いた紫外光発光ダイオードやＧａＡｓＰ系などを用いた可視光発光ダイオードが開発されている。また、ＲＧＢ３色の発光素子を重ね合わせることにより発光色を可変にする発光素子が開示されている（例えば、特許文献１）。さらに、可視光ダイオードを用いたディスプレイが実際に開発されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４３６２７号公報
【０００４】
従来例に係る色可変発光素子は、特許文献１によると、青色発光素子と緑色発光素子と赤色発光素子を重ね合わせて、それぞれの発光素子に印加する電圧を種々の色に対応させ印加することにより発光色を変化させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、青色発光素子、緑色発光素子、赤色発光素子の３種類の異なる材料を用いてそれぞれの発光素子を作製する必要があり、製造プロセスが容易ではないという問題点がある。また、発光色を変化させるためには、３種類の発光素子それぞれに印加する電圧をそれぞれ制御する必要があり、制御が容易ではないという問題点がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、少ない材料で、発光色の制御が容易である色可変発光素子とそれを用いたディスプレイを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る色可変発光素子とそれを用いたディスプレイは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【０００８】
第１の色可変発光素子（請求項１に対応）は、第１の不純物を添加した第１の結晶層と、第２の不純物を添加した第２の結晶層と、第３の不純物を添加した第３の結晶層が積層されてなり、その積層された結晶の両端に第１の電極と第２の電極が設けられ、第１の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に第３の電極が設けられ、第３の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に第４の電極が設けられ、第１と第２の電極に電圧を印加することにより、第１の結晶層、第２の結晶層、第３の結晶層内に電子を走行させ、第１の不純物、第２の不純物、第３の不純物に電子を衝突させることにより、第１の不純物、第２の不純物、第３の不純物を励起状態にし、その励起状態から基底状態に戻るときに発光する色可変発光素子であって、電子の走行する経路を第３の電極と第４の電極に印加する電圧により制御することにより発光色を変化させることで特徴づけられる。
【０００９】
第１の色可変発光素子によれば、第１の不純物を添加した第１の結晶層と、第２の不純物を添加した第２の結晶層と、第３の不純物を添加した第３の結晶層が積層されてなり、その積層された結晶の両端に第１の電極と第２の電極が設けられ、第１の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に第３の電極が設けられ、第３の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に第４の電極が設けられ、第１と第２の電極に電圧を印加することにより、第１の結晶層、第２の結晶層、第３の結晶層内に電子を走行させ、第１の不純物、第２の不純物、第３の不純物に電子を衝突させることにより、第１の不純物、第２の不純物、第３の不純物を励起状態にし、その励起状態から基底状態に戻るときに発光する色可変発光素子であって、電子の走行する経路を第３の電極と第４の電極に印加する電圧により制御することにより発光色を変化させるため、発光色の制御が第３の電極と第４の電極に印加する電圧の制御だけですむため、従来のものに比べて発光色の制御が容易である。
【００１０】
第２の色可変発光素子（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは第１の結晶層と第２の結晶層と第３の結晶層は、同一のバンドギャップをもつ結晶であることで特徴づけられる。
【００１１】
第２の色可変発光素子によれば、第１の結晶層と第２の結晶層と第３の結晶層は、同一のバンドギャップをもつ結晶であるため、第１の結晶層と第２の結晶層と第３の結晶層を同一の結晶を用いることにより、少ない種類の材料で色可変発光素子を作製することができる。
【００１２】
第３の色可変発光素子（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは第１の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに青色発光をし、第２の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに緑色発光をし、第３の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに赤色発光をすることで特徴づけられる。
【００１３】
第３の色可変発光素子によれば、第１の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに青色発光をし、第２の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに緑色発光をし、第３の不純物は、走行する電子の衝突により励起状態になり基底状態に戻るときに赤色発光をするため、第３の電極と第４の電極に印加する電圧を変化させることにより、電子の走行する結晶層（経路）を変化させることができ、それにより、走行する電子の衝突する不純物を選択させることができるので、第１の不純物からの発光と、第２の不純物からの発光と、第３の不純物からの発光の３つの発光帯の強度がそれぞれ変化し、それら発光帯の混合による発光色も変化させることができる。
【００１４】
第１の色可変発光素子を用いたディスプレイ（請求項４に対応）は、上記色可変発光素子を単位画素として面内に単位画素を複数配列し、単位画素毎の第１の電極と第２の電極に印加する電圧を制御する輝度制御部と、単位画素毎の第３の電極と第４の電極に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有することで特徴づけられる。
【００１５】
第１の色可変発光素子を用いたディスプレイによれば、色可変発光素子を単位画素として面内に単位画素を複数配列し、単位画素毎の第１の電極と第２の電極に印加する電圧を制御する輝度制御部と、単位画素毎の第３の電極と第４の電極に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有するため、少ない種類の材料で作製することができ、また、それぞれの単位画素の輝度と発光色の制御を容易に行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る色可変発光素子の断面図である。色可変発光素子１０は、第１の不純物を添加した第１の結晶層１１と第２の不純物を添加した第２の結晶層１２と第３の不純物を添加した第３の結晶層１３と積層された結晶層の両端の第１の電極１４と第２の電極１５と、第１の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に設けられた第３の電極１６と、第３の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に設けられた第４の電極１７から形成される。第１の結晶層１１は、例えば、ＺｎＳ系の結晶に第１の不純物として、電子衝突により励起状態になり、基底状態に戻るときに青色発光をするような、例えば希土類元素（ＣｅやＴｍ等）が添加されている。第２の結晶層１２は、例えば、ＺｎＳ系の結晶に第２の不純物として、電子衝突により励起状態になり、基底状態に戻るときに緑色発光をするような、例えば希土類元素（ＴｂやＭｎ等）が添加されている。第３の結晶層１３は、例えば、ＺｎＳ系の結晶に第３の不純物として、電子衝突により励起状態になり、基底状態に戻るときに赤色発光をするような、例えば希土類元素（Ｐｒ等）が添加されている。
【００１８】
第１の電極１４と第２の電極１５は、積層された結晶層の両端に蒸着などにより形成され、それらに電圧を印加することにより、電極から電子が注入され、また、結晶内の電子が加速し、その電子が、第１の結晶層１１内の第１の不純物、第２の結晶層１２内の第２の不純物、第３の結晶層１３内の第３の不純物に衝突し、それぞれの不純物が励起状態となり、その励起状態から基底状態に遷移するときにそれぞれ、青色、緑色、赤色の発光をさせることができる。従って、第１の電極１４と第２の電極１５に印加する電圧を変えることにより、電子の注入量や、走行電子のエネルギーを変えることができ、それにより、励起される不純物の量も変えることができ、それにより、発光強度を変えることができる。
【００１９】
第３の電極１６と第４の電極１７は、走行する電子の経路を変化させるためのものである。それにより、走行電子の衝突する不純物を選択させることができる。図２にその原理を示す。図２（ａ）では、第３の電極１６に負の電圧をかけることにより、結晶内の電場が負の領域がｎ１で示すような状態になる。それにより、電子は、主に第３の結晶層１３内を走行し、第３の結晶層１３内の第３の不純物に主に衝突し、第３の不純物を励起状態にし、それが基底状態になるときに赤色発光する。図２（ｂ）では、第３の電極１６に負の電圧と第４の電極１７に負の電圧をかけることにより、結晶内の電場が負の領域がｎ２、ｎ３で示すような状態になる。それにより、電子は、主に第２の結晶層１２内を走行し、第２の結晶層１２内の第２の不純物に主に衝突し、第２の不純物を励起状態にし、それが基底状態になるときに緑色発光する。図２（ｃ）では、第４の電極１７に負の電圧をかけることにより、結晶内の電場が負の領域がｎ４で示すような状態になる。それにより、電子は、主に第１の結晶層１１内を走行し、第１の結晶層１１内の第１の不純物に主に衝突し、第１の不純物を励起状態にし、それが基底状態になるときに青色発光する。また、第３の電極１６と第４の電極１７に印加する電圧を制御することにより、第３の結晶層１３と第２の結晶層１２を走行するようにし、緑色と赤色の混合色にすることもでき、また、第３の電極１６と第４の電極１７に印加する電圧を制御することにより、第１の結晶層１１と第２の結晶層１２を走行するようにし、青色と緑色の混合色にすることもでき、さらに、電圧をかけなければ、３つの層を同時に走行することにより、青色、緑色、赤色が混合し白色を発光することができる。このように、第３の電極１６と第４の電極１７に印加する電圧を制御することにより、種々の色の発光をさせることができる。
【００２０】
次に、本実施形態に係る色可変発光素子１０の動作を説明する。第１の電極１４と第２の電極１５に電圧を印加する。それと同時に、第３の電極１６と第４の電極１７に種々の電圧を印加する。それにより、図２で示したような、電場が結晶内に生じ、電子の走行経路が変化する。それに伴い、電子の衝突する不純物も選択され、発光色も変化する。また、発光強度は第１の電極１４と第２の電極１５に印加する電圧を変えることにより変えることができる。
【００２１】
次に、本発明に係る色可変発光素子を用いたディスプレイを図３に示す。ディスプレイ２０は、色可変発光素子２１を単位画素２２として面２３内に単位画素２２を複数配列し、単位画素２２毎の第１の電極２１Ａと第２の電極２１Ｂに印加する電圧を制御し発光強度を制御する輝度制御部２５と、単位画素２２毎の第３の電極２１Ｃと第４の電極２１Ｄに印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部２７を有している。
【００２２】
このディスプレイ２０では、輝度制御部２５により、各単位画素２２の第１の電極２１Ａと第２の電極２１Ｂに印加する電圧を変え単位画素の発する発光強度を制御する。そして、種々の輝度で発光する。また、色調制御部２７により、各単位画素２２の第３の電極２１Ｃと第４の電極２１Ｄに種々の電圧を印加することにより、図２で示したメカニズムにより発光色を各単位画素毎に変化させる。このような制御により、面内にカラーで像を形成することができる。このように、このディスプレイは、少ない種類の材料で作製することができ、また、それぞれの単位画素の輝度と発光色の制御を容易に行うことができる。
【００２３】
なお、本実施形態においては、結晶層としてＺｎＳを用いて説明したが、結晶層としてＺｎＳに限らず、他の物質、例えば、ＳｒＳ、あるいはＣａＳなどの物質を用いることができる。また、不純物としては、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｃｕ、Ｆ、Ｔｍ、などを用いることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００２５】
第１の不純物を添加した第１の結晶層と、第２の不純物を添加した第２の結晶層と、第３の不純物を添加した第３の結晶層が積層されてなり、その積層された結晶の両端に第１の電極と第２の電極が設けられ、第１の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に第３の電極が設けられ、第３の結晶層の第２の結晶層とは反対側の面に第４の電極が設けられ、第１と第２の電極に電圧を印加することにより、第１の結晶層、第２の結晶層、第３の結晶層内に電子を走行させ、第１の不純物、第２の不純物、第３の不純物に電子を衝突させることにより、第１の不純物、第２の不純物、第３の不純物を励起状態にし、その励起状態から基底状態に戻るときに発光する色可変発光素子であって、電子の走行する層（経路）を第３の電極と第４の電極に印加する電圧により制御することにより発光色を変化させるため、発光色の制御が第３の電極と第４の電極に印加する電圧の制御だけですむため、従来のものに比べて発光色の制御が容易である。また、第１の結晶層と第２の結晶層と第３の結晶層は、同一のバンドギャップをもつ結晶であるため、第１の結晶層と第２の結晶層と第３の結晶層を同一の結晶を用いることにより、少ない種類の材料で色可変発光素子を作製することができる。
【００２６】
さらに、色可変発光素子を用いたディスプレイによれば、色可変発光素子を単位画素として面内に単位画素を複数配列し、単位画素毎の第１の電極と第２の電極に印加する電圧を制御する輝度制御部と、単位画素毎の第３の電極と第４の電極に印加する電圧を制御することにより発光色を変化させることを制御する色調制御部を有するため、少ない種類の材料で作製することができ、また、それぞれの単位画素の輝度と発光色の制御を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る色可変発光素子の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る色可変発光素子の動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態に係る色可変発光素子を用いたディスプレイの斜視図である。
【符号の説明】
１０          色可変発光素子
１１          第１の結晶層
１２          第２の結晶層
１３          第３の結晶層
１４          第１の電極
１５          第２の電極
１６          第３の電極
１７          第４の電極
２０          ディスプレイ
２１          色可変発光素子
２２          単位画素
２３          面
２５          輝度制御部
２７          色調制御部
【図１】
2004327406.tif 000003
【図２】
2004327406.tif 000004
【図３】
2004327406.tif 000005