(57)【要約】【課題】発光効率が改善されると共に配線の課題も解決されたディスプレイ装置を実現する。【解決手段】本発明によるディスプレイ装置は、互いに対向配置した冷陰極素子アレイ（１０）と半導体発光素子アレイ（２０）とを具える。半導体発光素子アレイは、２次元マトリックス状に配置した半導体発光素子を有し、各半導体発光素子は、Ｐ型クラッド層（２３）、活性層（２４）及びＮ型クラッド層（２５）により構成される面発光レーザ構造体を構成する。冷陰極素子に駆動信号が供給されると、冷陰極素子から対応する半導体発光素子に向けて電子線が放出される。半導体発光素子の活性層には、入射した電子線により電子が供給され、アノード電極からホールが注入され、これら電子とホールは活性層において再結合して所定の波長光が放出される。各半導体発光素子の活性層は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長光を放出する材料で構成されるので、画像信号に応じて半導体発光素子からＲ，Ｇ，Ｂの波長光が放出され。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に形成したカソード電極層と、カソード電極層上に２次元アレイ状に形成した複数の冷陰極素子とを有し、各冷陰極素子は、駆動信号に応じて電子線を放出する冷陰極素子アレイ、及び
光学的に透明な第２の基板上に形成したアノード電極層と、アノード電極層上に２次元マトリックス状に形成した複数の半導体発光素子とを有し、各半導体発光素子は、入射した電子線に対応して発光する半導体発光素子アレイを具え、
前記第１及び第２の基板は、前記冷陰極素子から放出された電子線が対応する半導体発光素子に入射するように対向配置され、
各半導体発光素子は、アノード電極から対向する冷陰極素子に向く方向にそって、少なくともＰ型のクラッド層と、活性層と、Ｎ型のクラッド層とを順次有する面発光レーザ構造体として構成され、
前記冷陰極素子アレイの各冷陰極素子は、入力した駆動信号に応じて対応する半導体発光素子に向けて電子線を放出し、前記半導体発光素子アレイの各半導体発光素子は、入射した電子線に応じて発光することを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のディスプレイ装置において、各半導体発光素子の活性層は、冷陰極素子からＮ型クラッド層を介して供給された電子とアノード電極から注入されたホールとが再結合する際、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域の光を放出する半導体発光材料でそれぞれ構成され、
当該ディスプレイ装置は、入力した画像信号に応じてカラー画像を表示することを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のディスプレイ装置において、前記半導体発光素子は、活性層の両側にＰ型DBR層とN型DBR層とがそれぞれ形成され、共振器型の面発光レーザ構造体として構成されていることを特徴とするディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子を用いたディスプレイ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイとして、ブラウン管、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ（PDP）、冷陰極ディスプレイ（FED）、LEDディスプレイ等が既知である。ブラウン管は、画質やコストの面において非常に優れたディスプレイである。しかし、大画面化するほど電子源と蛍光面との距離が長くなるため、薄型化が難しく、しかも、管が大気圧に耐えうる強度を必要とするためブラウン管のガラスの厚さが増大し、重量が重くなる欠点がある。この他の方式のディスプレイは、薄型化に適しているが、液晶ディスプレイは、構造が複雑で視野角が狭い等の問題がある。また、PDPでは、発光を担う蛍光体のさらなる効率の改善が必要である。FEDは、ブラウン管と同じ発光原理を採用しているので、ブラウン管と同程度またはそれ以上の高画質で表示でき、しかも画素ごとに電子源を配置することにより大画面化しても薄型の平面ディスプレイを実現できる特徴がある。FEDは、究極のディスプレイとして期待されているが、依然として発光を担う蛍光体のさらなる効率の改善が求められている。
【０００３】
LEDディスプレイは、半導体発光素子が発光を担うため、効率が高く、明るい画面を実現でき、屋外用のディスプレイとして実用化されている。しかし、単体のLEDを多数個並べる方式では、素子数が増大するにしたがって配線数も増大し、配線が困難になる問題があった。これらの課題を解決するディスプレイとして、II−VI族の化合物半導体を電子線により励起する型式のレーザテレビジョンが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】A. S. Nasibov, et al., “Full color TV projector based on  A↓２B↓６ electron-beam pumped semiconductor laser”, J. of Crystal Growth 117, 1040 (1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したLEDディスプレイの発光素子をレーザ素子に変更することにより、発光効率が改善されたディスプレイ装置が期待される。しかしながら、発光効率の改善が期待されるものの、配線が困難である課題は依然として解消することはできない。また、上記文献に記載されたレーザテレビジョンは、３原色の発光素子を別々の結晶体により構成しているため、レジ合わせ作業が煩雑であり、製造上の作業性に難点がある。しかも、装置自体が大型化する課題も指摘されている。
【０００５】
本発明の目的は、発光効率が改善されると共に配線の課題も解決されたディスプレイ装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるディスプレイ装置は、第１の基板上に形成したカソード電極層と、カソード電極層上に２次元アレイ状に形成した複数の冷陰極素子とを有し、各冷陰極素子は、駆動信号に応じて電子線を放出する冷陰極素子アレイ、及び
光学的に透明な第２の基板上に形成したアノード電極層と、アノード電極層上に２次元マトリックス状に形成した複数の半導体発光素子とを有し、各半導体発光素子は、入射した電子線に対応して発光する半導体発光素子アレイを具え、
前記第１及び第２の基板は、前記冷陰極素子から放出された電子線が対応する半導体発光素子に入射するように対向配置され、
各半導体発光素子は、アノード電極から対向する冷陰極素子に向く方向にそって、少なくともＰ型のクラッド層と、活性層と、Ｎ型のクラッド層とを順次有する面発光レーザ構造体として構成され、
前記冷陰極素子アレイの各冷陰極素子は、入力した駆動信号に応じて対応する半導体発光素子に向けて電子線を放出し、前記半導体発光素子アレイの各半導体発光素子は、入射した電子線に応じて発光することを特徴とする。
【０００７】
本発明によるディスプレイ装置は、冷陰極素子アレイと半導体発光素子アレイとを具え、冷陰極素子から放出された電子線が対応する半導体発光素子に直接入射するように構成しているので、半導体発光素子用の配線が不要になり、一層簡単な構造なディスプレイ装置が実現される。さらに、半導体発光素子は面発光レーザ構造体として構成されているので、低消費電力で高効率のディスプレイ装置が実現される。
【０００８】
本発明によるディスプレイ装置の好適実施例は、各半導体発光素子の活性層は、冷陰極素子からＮ型クラッド層を介して供給された電子とアノード電極から注入されたホールとが再結合する際、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域の光を放出する半導体発光材料でそれぞれ構成され、
当該ディスプレイ装置は、入力した画像信号に応じてカラー画像を表示することを特徴とする。
【０００９】
本発明によるディスプレイ装置の別の変形例は、半導体発光素子は、活性層の両側にＰ型DBR層とN型DBR層とがそれぞれ形成され、共振器型の面発光レーザ構造体として構成されていることを特徴とする。
DBR層(Distributed Bragg Reflector 層)は反射器を構成する半導体多層膜である。活性層の両側にそれぞれＰ型及びＮ型のDBR層を形成することにより半導体発光素子は共振器を構成し、共振器型の面発光レーザが実現される。共振器型の面発光レーザは、変換効率が一層高く、光出力が数ｍＷに達する表示装置として製造可能である。従って、発光部分の放出する光出力が高いため、装置を小型化しても十分な輝度のディスプレイ装置が実現される。
また、レーザの光出射パターンは共振器構造により制御することができるので、直視型又は投射型のディスプレイ装置として実現することが可能である。この場合、投射型ディスプレイとして用いる場合には指向性を高くし、直視型ディスプレイとして用いる場合必要な大きさの光広がり角を設計することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるディスプレイ装置では、冷陰極素子から放出された電子線を半導体発光素子に直接入射させているので、配線が不要となり、一層簡単な構造で薄型化することができる。しかも、半導体発光素子は面発光レーザ構造を有するので、高効率で高輝度のディスプレイ装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明によるディスプレイ装置の一例を示すものであり、図１Ａは光放出面と直交する面で切って示す線図的断面図、図１Ｂは半導体発光素子アレイを冷陰極素子アレイの側から見た線図的平面図、及び図１Ｃは冷陰極素子アレイを半導体発光素子の側から見た線図的平面図である。本発明によるディスプレイ装置は、冷陰極素子が２次元アレイ状に配列された冷陰極素子アレイ１０と、半導体発光素子が２次元マトリックス状に配列された半導体発光素子アレイ２０とを具える。尚、図面を明瞭にするため、１つの半導体発光素子と１つの冷陰極素子とが互いに対向するように図示したが、１個の半導体発光素子に対して複数の冷陰極素子が対向するように配置し、１個の半導体発光素子に対して複数の冷陰極素子から放出された電子が入射するように構成することもできる。例えば、１個の半導体発光素子に対して、３×３又は８×８等のアレイ状に配列された複数の冷陰極素子から放出される電子ビームが入射するように構成してもよい。また、冷陰極素子から放出される電子ビームの拡がりを抑制するため、集束電極を併用して電子ビームの拡がりを抑制することもできる。さらに、冷陰極素子アレイ１０の各冷陰極素子（サブピクセル）の配列方法として、サブピクセルを円形領域や三角格子状に配列することもでき、或いは正方格子状に配置することも可能である。なお、冷陰極素子アレイ１０と半導体発光素子アレイ２０とはシール部材（図示せず）により封止され、冷陰極素子アレイと半導体発光素子アレイとの間の空間は、高真空に維持する。
【００１２】
冷陰極素子アレイ１０は、例えば、非特許文献「Full Color Graphite Nanofiber FED with 0.15mm Pixel Pitch」Proceedings of IDW/AD05,FED2/PH5-3 pp.1663-1666 に記載の方法で形成することができる。具体的には、冷陰極素子アレイ１０は、基板１１と当該基板上に形成したカソード電極１２とを有する。基板１１として、例えば厚さが１ｍｍ程度のガラス基板が用いられる。カソード電極１２は、膜厚が１００〜３００ｎｍのクロム膜で構成され、紙面内方向に延在する帯状電極として形成され、その延在方向と直交する方向（紙面と直交する方向）に所定のピッチで周期的に形成する。カソード電極１２上に円形の冷陰極エミッタ１３を２次元マトリックス状に形成する。また、カソード電極上には、冷陰極エミッタ１３を包囲するように円筒状の絶縁層１４が形成され、絶縁層１４上にゲート電極１５が形成される。絶縁層１４は、例えば膜厚が１〜５μｍ程度の酸化シリコン膜で構成され、ゲート電極１５は、例えば厚さが１００ｎｍ〜３００ｎｍのクロム膜で構成される。カソード電極１２と、冷陰極エミッタ１３と、絶縁層上のゲート電極１５とにより１個の冷陰極素子が構成される。従って、冷陰極素子は、基板１１上に２次元マトリックス状に配列される。
【００１３】
次に、半導体発光素子アレイ２０について説明する。半導体発光素子アレイ２０は、光学的に透明な透明基板２１と、その表面上に形成したアノード電極層２２とを有する。透明基板として、例えば厚さ０．２ｍｍのガラス基板を用いることができる。アノード電極層２２は、基板全体にわたって一様に形成した透明な電極膜で構成され、例えばインジウム錫酸化膜（ITO）等の無機透明電極膜で構成する。アノード電極層２２上に半導体発光素子を２次元マトリックス状に形成する。当該アレイの形成ピッチは、冷陰極素子の形成ピッチと同一に設定する。各半導体発光素子は、アノード電極層から冷陰極アレイに向く方向にそってＰ型クラッド層２３、活性層２４、及びＮ型クラッド層２５を順次有する面発光レーザ構造体として形成する。
【００１４】
本例のディスプレイ装置は、カラー画像を表示するカラーディスプレイとして構成する。従って、各半導体発光素子は、活性素子に注入された電子とホールとが再結合する際Ｒ，Ｇ，Ｂの波長域の波長光をそれぞれ放出する素子として構成され、ＲＧＢの波長光を放出する３個の半導体発光素子で１つの画素を構成する。以下において、ＲＧＢの波長光を放出する各半導体発光素子の材料について説明する。
Ｒの波長光を放出する素子には、Ｐ型クラッド層として例えばＺｎが7×10１７ｃｍ−３の濃度に添加されたＩｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐを用い、Ｎ型クラッド層として例えばＳｅが5×1017ｃｍ−３の濃度に添加されたＩｎ0.5（Ｇａ0.3Ａｌ0.7）0.5Ｐを用いる。活性層としては、Ｉｎ0.62Ｇａ0.38Ｐ（厚さ15nm）を用いる。
Ｇの波長光を放出する素子には、Ｐ型クラッド層として例えばＮが1×1017cm−３の濃度に添加されたMgSe/BeZnTe超格子（厚さ500nm）を用い、Ｎ型クラッド層として例えばＣｌが5×1017cm−３の濃度に添加されたMgSe/ZnCdSe超格子（厚さ800nm）を用いる。活性層としては、例えばBeZnSeTe（厚さ7.5nm）を用いる。
Ｂの波長光を放出する素子には、Ｐ型クラッド層として例えばＭｇが1×1017cm−３の濃度に添加されたAlGaN/GaN超格子を用い、Ｎ型クラッド層として例えばSiが5×1017ｃｍ−３の濃度に添加されたAlGaNを用いる。活性層として、例えばInGaN多重量子井戸層などを用いることができる。
尚、上述した半導体材料の組成及び比率は、一例として例示したものであり、半導体発光素子の材料として好適な種々の組成及び比率の化合物半導体材料を用いることができる。
【００１５】
本例では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長光を放出する半導体発光素子を順次配列し、ＲＧＢの波長光をそれぞれ放出する３個の半導体発光素子を１画素としてカラーの画像表示を行うことができる。
【００１６】
次に、画像表示動作について説明する。画像表示すべき画像信号が駆動回路に供給され、冷陰極素子アレイ１０の各冷陰極素子を駆動する駆動信号が生成される。この駆動信号は、カソード電極１２を介して冷陰極エミッタ１３に印加されるバイアス信号とゲート電極１５に印加されるバイアス信号とを含む。半導体発光素子アレイ２０のアノード電極２２には正のバイアス電圧を印加する。冷陰極エミッタ１３とゲート電極１５との間に閾値を超える電位差のバイアス信号が印加されると、冷陰極エミッタ１３から電界放射により電子線が発生し、対向する半導体発光素子に向かって放出される。放出された電子線は、対応する半導体発光素子に入射し、Ｎ型クラッド層２５を介して活性層２４に電子が供給される。これに対応して、半導体発光素子側においては、アノード電極２２からＰ型クラッド層２３を介して活性層にホールが注入される。活性層２４において、電子とホールとが再結合してＲＧＢの波長域の各波長光が発生する。この波長光は、透明なアノード層２２及び透明基板２１を介して外部に放出され、画像信号に応じてカラー画像表示が行われる。
【００１７】
このように、本発明では、冷陰極素子から半導体発光素子に向けて、配線を介在させることなく電子を直接供給しているので、半導体発光素子のための配線が不要になる。半導体発光素子は面発光レーザ構造であるため、高い光出力が得られ、発光効率も改善される。
【００１８】
図２は半導体発光素子アレイの変形例を示す線図的断面図である。本例では、半導体発光素子アレイは、共振器型面発光レーザ構造を有する。アノード電極層２２上に、反射器として作用するDBR層を構成するＰ型多層膜３１を形成し、その上にスペーサ層（クラッド層）３２を形成する。さらに、スペーサ層３２上に活性層３３を形成し、その上にＮ型スペーサ層３４、及び反射器として作用するDBR層を構成するＮ型多層膜３５を形成する。活性層及びスペーサ層の材料は、図１で説明した材料を用いることができる。また、Ｐ型及びＮ型のDBR層として、Ｐ型不純物及びＮ型の不純物が添加されたInGaAs/InAlAsの多層膜や組成を変えたAlGaAsの多層膜を用いることができる。たとえば、Ｒ素子のｎ側のDBRは、32周期のSi-doped AlGaAs/AlGaAs、Ｐ側DBRは、C-doped AlGaAs/AlGaAsとすることができる（DBR中の各層は、1/4波長の厚さ）。活性層の両側にDBR層を形成することにより活性層が反射器により挟まれた構造となり、共振器型面発光レーザが構成される。この共振器型面発光レーザは、高効率の発光素子であるから、少ない電流で高い輝度のカラーディスプレイ装置が実現される。
【００１９】
本発明によるディスプレイ装置は、既存の冷陰極素子アレイを用い、ガラス基板に形成した半導体発光素子アレイを対向配置し、真空に封止することにより製造される。また、半導体発光素子アレイの製造方法として、例えば有機金属気相成長法により半導体膜を順次形成し、フォトリソグラフィー法により半導体発光素子を２次元マトリックス状に形成することができる。さらに、気相成長法により半導体膜を形成する際、紫外線、Ｘ線、電子線、イオンビーム、ラジカルビーム等の補助ビームを用い、半導体膜を選択的に２次元マトリックス状に気相成長させることも可能である。さらに、別の製造方法として、半導体発光素子を単体として予め製造し、基板側の半導体発光素子が配置されるべき位置に特定の形状の凹部を形成し、各凹部内に単体として形成した半導体発光素子を埋め込み配置することによっても製造することが可能である。この場合、液体中移送法を利用して半導体発光素子を基板に形成した凹部内にはめ込むこともできる（例えば、Yeh, H.-J.J. and Smith, J.S.による“Fluidic self-assembly for the integration of GaAs light-emitting diodes on Si substrate ”, IEEE Photonic Technology Letters, Volume 6, Issue  6, June 1994 pp. 706-708  参照）。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によるディスプレイ装置の一例を示す図である。
【図２】半導体発光素子アレイの変形例を示す線図的断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  冷陰極素子アレイ
１１  基板
１２  カソード電極
１３  冷陰極エミッタ
１４  絶縁層
１５  ゲート電極
２０  半導体発光素子アレイ 
２１  透明基板
２２  アノード電極層
２３  Ｐ型クラッド層
２４，３３  活性層
２５  Ｎ型クラッド層
３１  Ｐ型多層膜
３２，３４  スペーサ層
３５  Ｎ型多層膜
【図１】
2009206031.tif 000003
【図２】
2009206031.tif 000004