(57)【要約】【課題】  発光層に注入される駆動電流の変化による発光ピーク波長のシフト量を低減することにより色純度に優れた半導体発光素子を提供する。さらに、当該半導体発光素子によって画像表示部を構成し、簡便な駆動回路で優れた画像表示を行うことができる画像表示装置を提供する。【解決手段】  発光層であるＩｎＧａｎ層１６の層厚を１原子層〜８原子層にすることにより、駆動電流に対する発光ピーク波長のシフト量を低減することができる。さらに、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有する画像表示装置は、駆動電流が変化した場合でも略一定の発光ピーク波長の光を発生させることができる。また、発光層であるＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を調整することにより、青色、又は緑色の発光し、且つ発光ピーク波長のシフト量を低減することが可能となる。【選択図】  図２
2005072368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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
を特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、インジウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層であり、
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。
【請求項３】
前記発光層で発生する光の波長は、４４０〜４８０ｎｍ、又は５００〜５５０ｎｍの波長の範囲に含まれること
を特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層におけるインジウムの組成比は、１５〜４０％であること
を特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項５】
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。
【請求項６】
前記緩衝層の厚みは、1ｎｍ〜２０ｎｍ以下であること
を特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光層を複数有し、
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。
【請求項８】
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
を特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項９】
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
を特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
前記発光層に注入される電流の波形はパルス波であること
を特徴とする請求項９記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【特許文献１】特開平１０−２２９２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【表１】
2005072368.tif 000003
なお、本実験で用いた試料Ａ，Ｂは半導体発光素子１と略同様の構成を有していることから共通する部分については同一の参照符号を用いて説明する。本実験においては、発光層であるＩｎＧａＮ層１６の層厚及びＩｎ組成比を変えた場合の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を比較した。試料ＡはＩｎＧａＮ層の層厚が２．５ｎｍであり、Ｉｎ組成比は１７％である。また、他方の試料Ｂは、ＩｎＧａＮ層の層厚が１．８ｎｍであり、Ｉｎ組成比は１９％である。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本実施形態にかかる半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図２】同半導体発光素子の多重量子井戸層の構成を詳細に示す要部断面図である。
【図３】本実施形態にかかる画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【図４】実施例における実験結果を示す図であり、励起強度に対する発光波長ピークの変化を比較したグラフである。
【図５】実施例における実験結果を示す図であり、励起強度に対する半値幅を比較したグラフである。
【図６】実施例における実験結果を示す図であり、励起強度に対する発光強度を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
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
【図１】
2005072368.tif 000004
【図２】
2005072368.tif 000005
【図３】
2005072368.tif 000006
【図４】
2005072368.tif 000007
【図５】
2005072368.tif 000008
【図６】
2005072368.tif 000009