JPH09153644A

JPH09153644A - ３族窒化物半導体表示装置

Info

Publication number: JPH09153644A
Application number: JP33811695A
Authority: JP
Inventors: Michinari Sasa; 道成佐々; Masayoshi Koike; 正好小池; Shinya Asami; 慎也浅見
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 1997-06-10

Abstract

(57)【要約】【課題】３族窒化物半導体のフルカラー平面ディスプレ
イを可能とすること。【解決手段】サファイア基板１上にｎ⁺層３、ｎ層４、
Al_0.25Ga_0.75N から成る６層のバリア層５１とAl_0.2Ga
_0.8N から成る５層の井戸層５２とによる多重量子井戸
構造でSi、Znが添加された発光層５、ｐ層６１、コンタ
クト層６２が形成されている。コンタクト層６２からバ
ッファ層２までの行ラインが形成され、ｎ層４、発光層
５、ｐ層６１、コンタクト層６２の島がドットマトリッ
クスに形成される。各列ラインの各コンタクト層６２に
接合する電極７がｙ軸方向に平行な列ラインとして形成
され、各行ラインのｎ⁺層３に接合する電極８が形成さ
れる。電極７の上に赤、緑、青の蛍光体層１３が形成さ
れる。行ラインと列ラインを選択して、制御電圧を印加
することで、電界が印加された画素の発光層５から紫外
線が発光し、対応する画素の蛍光体層から可視光線が放
射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発光色を可変できる
３族窒化物半導体を用いた単一素子及び平面ディスプレ
イ等の表示装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、青色発光の得られるInGaN を用いた
半導体発光ダイオードが知られている。さらに、この発
光ダイオードでより長波長の緑色発光を得るために、発
光層の禁制帯幅を狭くするためにInの組成比を大きくす
ることが行われている。又、発光ダイオードで高輝度の
純青色や純緑色の発光が得られていないため、発光ダイ
オードを用いたフルカラーのディスプレイは、未だ、実
現していない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のInGaN を用いた
発光ダイオードにおいて、Inの組成比を大きくすると、
発光層の結晶性が悪化し発光効率が低下する。従って、
発光波長を長くするに連れて発光輝度が低くなり、未
だ、高輝度の青色から緑色の発光が得られていない。
又、フルカラーのディスプレイを形成する場合には、赤
色、緑色、青色の発光ダイオードが必要となる。現在、
この各色の発光ダイオードは、全て半導体材料が異な
り、１つの半導体材料で３原色の光を発光するような表
示装置は知られていない。さらに、発光ダイオードチッ
プの２次元配列ではなく、半導体を気相成長させる基板
を表示装置の画面として、半導体の成長工程において、
単一基板上に配線や画素を集積化したフルカラーディス
プレイは知られていない。

【０００４】本発明は上記の課題を解決するために成さ
れたものであり、その目的は、３族窒化物半導体だけ
で、発光色を可変できようにすることと、フルカラーの
平面ディスプレイを可能とすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、紫外線を発光する３族窒化物半導体を用いた発光層
と、その発光層の放射する紫外線を受光して、赤、青、
緑の３原色の可視光に変換する蛍光体層とを設けたもの
である。よって、蛍光体は可視光よりも短い波長の紫外
線により励起されるため、３原色の蛍光体層に照射する
紫外線の強度を変化させるだけで、任意の発光色を得る
ことができる。

【０００６】請求項２の発明は電極層上に形成された蛍
光体層、請求項３の発明は透明なサファイア基板面に形
成された蛍光体層により、発光層からの紫外線が３原色
の可視光に変換される。いずれも、各３原色の蛍光体に
照射する紫外線の強度の組み合わせを変化させるだけ
で、任意の色の可視光を得ることができる。

【０００７】請求項４は３画素を１組とした画素を２次
元配列した平面ディスプレイである。これにより、フル
カラーの平面表示が可能となる。

【０００８】請求項５、６は、より具体化した平面ディ
スプレイである。請求項５は、その平面ディスプレイを
３原色の蛍光体層の形成されたガラス基板と、各画素に
紫外線を照射するための発光ダイオードチップを蛍光体
層に平行に２次元配列したものである。又、請求項６
は、請求項５の発光ダイオードチップをそれぞれの強度
の制御が可能な３本の紫外線を発光する単一チップを表
示の各ドットに対応して２次元配列したものである。こ
のように、発光ダイオードチップの２次元配列よりフル
カラーの平面ディスプレイが可能となる。

【０００９】これに対して、請求項７は、一つの基板上
に形成された発光層を加工して、ドットマトリックス型
に構成して、ガラス基板上に形成された蛍光体層の各画
素に紫外線を照射するようにしたものである。

【００１０】又、請求項８は一つの基板上に発光層をド
ットマトリックスに形成し、発光層の上方に存在する電
極層上に３原色の蛍光体層を設けたものであり、請求項
９は基板を透明なサファイア基板で構成して、その基板
の裏面上に３原色の蛍光体層を形成したものである。い
ずれも、３族窒化物半導体を成長させる基板そのものを
表示画面とすることができる。

【００１１】請求項１０、１１、１２は発光層をドット
マトリックスに形成し、発光層に対して下側の導電層を
ｘ軸方向のラインとし、上側の電極層をｙ軸方向のライ
ンとしたものである。これにより、３族窒化物を成長さ
せる基板を表示面とするドットマトリックス型のディス
プレイが可能となる。

【００１２】請求項１３〜２０は、紫外線を放射する発
光層に関するものである。請求項１３〜１８の発明で
は、発光層をAlGaInN の１重又は多重の量子井戸構造と
し、発光層にドナー不純物又はアクセプタ不純物を添加
した。このため、ドナー準位、又は、アクセプタ準位が
形成されるため、発光に寄与する電子とホールの再結合
確率が増大するため、再結合による発光効率が向上す
る。又、インジウムの組成比と不純物濃度は、希望する
発光ピーク波長と発光強度との関係で決定される。

【００１３】又、発光層にInGaN よりも結晶性の良いAl
GaN を用い、発光層を量子井戸構造の歪超格子とするこ
とで、格子定数のミスフィットの伝搬を防止して井戸層
の結晶性を向上させ、これにより発光効率を向上させる
ことができた。特に、結晶性の良い井戸層にアクセプタ
不純物とドナー不純物とを共に添加して、アクセプタ準
位とドナー準位とによる対発光により、紫外線の発光効
率を大きく向上させることができた。

【００１４】尚、発光層のAlのモル組成比は１５％以上
とし、井戸層の厚さは５０Å〜２００Åの範囲が望まし
い。５０Å以下だと不純物拡散が起こり、２００Å以上
だと量子効果が発生しなくなるので望ましくない。又、
バリア層の厚さは５０Å〜２００Åの範囲が望ましい。
５０Å以下だと井戸層にキャリアを閉じ込める効率が下
がるため望ましくなく、２００Å以上だと量子効果が発
生しなくなるので望ましくない。２００Å以上だとノン
ドープの場合には抵抗が大きくなり、又、ドープした場
合には転位によるクラックが入るので望ましくない。

【００１５】又、発光層に添加するアクセプタ不純物と
ドナー不純物の濃度は１×１０¹⁷／cm³ 〜１×１０²⁰／
cm³ の範囲が望ましい。１×１０¹⁷／cm³ 以下である
と、発光中心不足により発光効率が低下し、１×１０²⁰
／cm³ 以上となると、結晶性が悪くなり、又、オージェ
効果が発生するので望ましくない。

【００１６】又、請求項１８の発明では、ｎ層は発光層
と格子定数が略等しくなるように、Al_x3Ga_Y3In_1-X3-Y3N
の組成比X3,Y3 が決定され、ｐ層は発光層に対してｎ層
から注入された電子を十分に閉じ込めれるだけ、禁制帯
幅が大きくなるように、Al_x4Ga_Y4In_1-X4-Y4Nの組成比X
4,Y4 が決定される。このようにｎ層を決定すること
で、ｎ層と発光層との格子定数の相違によるミスフィッ
トが少なく、発光層の結晶性が向上する。

【００１７】ｎ層と発光層との接合による障壁は、ｐ層
から発光層に注入された正孔を閉じ込める作用をする。
ところが、正孔の拡散長は数1000Åであり、発光層はそ
の拡散長よりも厚く構成されている。よって、ｎ層と発
光層との接合による障壁は、正孔の発光層内での閉じ込
めに有効に寄与しない。したがって、ｎ層と発光層間の
障壁は小さくても良いので、ｎ層は発光層に対して格子
定数が略等しくなるように、Al_x3Ga_Y3In_1-X3-Y3Nの組成
比X3,Y3 を決定することで、ｎ層と発光層との間の格子
不整合を極力小さくすることができ、発光層の結晶性を
向上させることが可能となる。この結果、紫外線の発光
効率が向上する。

【００１８】紫外線を発光するために、発光層をGa_Y5In
_1-Y5N(0.92≦Y5≦1)で構成した場合には、ｎ層をGaN と
することで、格子不整合を小さくすることができる。

【００１９】又、上記の発光ダイオードはサファイア基
板上に、バッファ層を形成し、その上にｎ層に対する電
流のリードとして機能する高濃度にシリコンが添加され
たGaN から成るｎ⁺層を形成することもできる。この場
合には、ｎ層をGaN で構成することで、ｎ⁺層とｎ層と
の格子定数は完全に一致し、ミスフィット転位は発生し
ない。よって、発光層の結晶性がより向上する。

【００２０】

【発明の実施の形態】紫外線発光ダイオードの第１実施例紫外線を発光する発光ダイオードの構造について説明す
る。図１において、発光ダイオード１０は、サファイア
基板１を有しており、そのサファイア基板１上に500 Å
のAlN のバッファ層２が形成されている。そのバッファ
層２の上には、順に、膜厚約2.0 μｍ、電子濃度2 ×10
¹⁸/cm³のシリコンドープGaN から成る高キャリア濃度ｎ
⁺層３、膜厚約1.0 μｍ、電子濃度 2×10¹⁸/cm³のシリ
コンドープのAl_0.3Ga_0.7N から成るｎ層４、全膜厚約0.
11μｍの発光層５、膜厚約1.0 μｍ、ホール濃度5 ×10
¹⁷/cm³、濃度1 ×10²⁰/cm³にマグネシウムがドープされ
たAl_0.3Ga_0.7N から成るｐ層６１、膜厚約0.2 μｍ、ホ
ール濃度 7×10¹⁷/cm³、マグネシウム濃度 2×10²⁰/cm³
のマグネシウムドープのGaN から成るコンタクト層６２
が形成されている。そして、コンタクト層６２上にコン
タクト層６２に接合するNiから成る電極７が形成されて
いる。さらに、高キャリア濃度ｎ⁺層３の表面の一部は
露出しており、その露出部上にその層３に接合するNiか
ら成る電極８が形成されている。

【００２１】発光層５の詳細な構成は、図２に示すよう
に、膜厚約100 ÅのAl_0.25Ga_0.75Nから成る６層のバリ
ア層５１と膜厚約100 ÅのAl_0.2Ga_0.8N から成る５層の
井戸層５２とが交互に積層された多重量子井戸構造で、
全膜厚約0.11μｍである。又、井戸層５２には、亜鉛と
シリコンが、それぞれ、5 ×10¹⁸/cm³の濃度に添加され
ている。

【００２２】次に、この構造の発光ダイオード１０の製
造方法について説明する。上記発光ダイオード１０は、
有機金属化合物気相成長法( 以下「M0VPE 」と記す) に
よる気相成長により製造された。用いられたガスは、NH
₃ とキャリアガスH₂又はＮ₂ とトリメチルガリウム(Ga
(CH₃)₃)（以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニ
ウム(Al(CH₃)₃)（以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH₄)
とジエチル亜鉛( 以下「DEZ 」と記す) とシクロペンタ
ジエニルマグネシウム(Mg(C₅H₅)₂)(以下「CP₂Mg 」と記
す）である。

【００２３】まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とする厚さ100 〜400 μｍの単結晶のサファ
イア基板１をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタ
に装着する。次に、常圧でH₂を流速2 liter/分で反応室
に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッ
チングした。

【００２４】次に、温度を 400℃まで低下させて、H₂を
20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、TMA を 1.8×10^-5
モル／分で供給してAlN のバッファ層２が約 500Åの厚
さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1150
℃に保持し、H₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／分、
TMG を 1.7×10^-4ル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈
されたシランを200ml/分で３０分供給して、膜厚約2.2
μｍ、電子濃度 2×10¹⁸/cm³のシリコンドープのGaN か
ら成る高キャリア濃度ｎ⁺層３を形成した。

【００２５】次に、サファイア基板１の温度を1100℃に
保持し、N₂又はH₂を10 liter／分、NH₃ を 10liter／
分、TMG を1.12×10^-4モル／分、TMA を0.47×10^-4モル
／分、及び、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシラン
を10×10^-9mol/分で、60分供給して、膜厚約1 μｍ、濃
度1 ×10¹⁸/cm³のシリコンドープのAl_0.3Ga_0.7N から成
るｎ層４を形成した。

【００２６】その後、サファイア基板１の温度を1100℃
に保持し、N₂又はH₂を20 liter／分、NH₃ を10 liter／
分、TMG を 1×10^-5モル／分、TMA を0.39×10^-4モル／
分で３分間導入してAl_0.25Ga_0.75N から成る厚さ１００
Åのバリア層５１を形成した。次に、N₂又はH₂を20 lit
er／分、NH₃ を10 liter／分、TMG を 1×10^-5モル／
分、TMA を0.31×10^-4モル／分で、且つ、H₂ガスにより
0.86ppm に希釈されたシランを10×10^-9mol/分、DEZ を
2×10^-4モル／分で、３分間導入してAl_0.2Ga_0.8N から
成る厚さ１００Åのシリコンと亜鉛が、それぞれ、 5×
10¹⁸/cm³の濃度に添加された井戸層５２を形成した。こ
のような手順の繰り返しにより、図２に示すように、バ
リア層５１と井戸層５２とを交互に５層だけ積層した多
重量子井戸構造で、全体の厚さ0.11μｍの発光層５を形
成した。

【００２７】続いて、温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂
を20 liter／分、NH₃ を 10liter／分、TMG を1.12×10
^-4モル／分、TMA を0.47×10^-4モル／分、及び、CP₂Mg
を2×10^-4モル／分で60分間導入し、膜厚約1.0 μｍの
マグネシウム(Mg)ドープのAl_0.3Ga_0.7N から成るｐ層６
１を形成した。ｐ層６１のマグネシウムの濃度は1 ×10
²⁰/cm³である。この状態では、ｐ層６１は、まだ、抵抗
率10⁸ Ωcm以上の絶縁体である。

【００２８】続いて、温度を1100℃に保持し、N₂又はH₂
を20 liter／分、NH₃ を 10liter／分、TMG を1.12×10
^-4モル／分、及び、CP₂Mg を 4×10^-4モル／分の割合で
4分間導入し、膜厚約0.2 μｍのマグネシウム(Mg)ドー
プのGaN から成るコンタクト層６２を形成した。コンタ
クト層６２のマグネシウムの濃度は 2×10²⁰/cm³であ
る。この状態では、コンタクト層６２は、まだ、抵抗率
10⁸ Ωcm以上の絶縁体である。

【００２９】このようにして、図２に示す断面構造のウ
エハが得られた。次に、このウエハを、４５０℃で４５
分間、熱処理した。この熱処理により、コンタクト層６
２、ｐ層６１は、それぞれ、ホール濃度 7×10¹⁷/cm³，
5×10¹⁷/cm³、抵抗率 2Ωcm，0.8 Ωcm のｐ伝導型半
導体となった。このようにして、多層構造のウエハが得
られた。

【００３０】次に、図３に示すように、コンタクト層６
２の上に、スパッタリングによりSiO₂層９を2000Åの厚
さに形成し、そのSiO₂層９上にフォトレジスト１０を塗
布した。そして、フォトリソグラフにより、図３に示す
ように、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度
ｎ⁺層３に対する電極形成部位Ａ^'のフォトレジスト１
０を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジス
ト１０によって覆われていないSiO₂層９をフッ化水素酸
系エッチング液で除去した。

【００３１】次に、フォトレジスト１０及びSiO₂層９に
よって覆われていない部位のコンタクト層６２、ｐ層６
１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力
0.44W/cm² 、BCl₃ガスを10 ml/分の割合で供給しドライ
エッチングした後、Arでドライエッチングした。この工
程で、図５に示すように、高キャリア濃度ｎ⁺層３に対
する電極取出しのための孔Ａが形成された。

【００３２】次に、試料の上全面に、一様にNiを蒸着
し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、
エッチング工程を経て、図１に示すように、高キャリア
濃度ｎ⁺層３及びコンタクト層６２に対する電極８，７
を形成した。その後、上記の如く処理されたウエハを各
チップに切断して、発光ダイオードチップを得た。

【００３３】このようにして得られた発光素子は、駆動
電流20mAで、発光ピーク波長 380nm、発光強度２mWであ
った。この発光効率は３％であり、従来の構成のものに
比べて１０倍に向上した。

【００３４】上記の実施例では、発光層５のバリア層５
１のバンドギャップが両側に存在するｐ層６１とｎ層４
のバンドギャップよりも小さくなるようなダブルヘテロ
接合に形成されている。上記実施例ではダブルヘテロ接
合構造を用いたが、シングルヘテロ接合構造であっても
良い。さらに、ｐ層を形成するのに熱処理を用いたが、
電子線照射によってｐ型化しても良い。

【００３５】紫外線発光ダイオードの第２実施例上記の発光ダイオード１０は、各井戸層５２に亜鉛とシ
リコンとを同時に添加している。図６に示すように、発
光ダイオード１００の発光層５は、複数の井戸層５２０
に、順に交互に、シリコンと亜鉛を添加しても良い。
又、各井戸層５２と各バアリ層５１とに亜鉛とシリコン
とを同時に添加しても良い。この構造において、アクセ
プタ準位とドナー準位による対発光が可能となり、紫外
線の発光効率が向上する。このようにして得られた発光
素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長 380nm、発光
強度５mWであった。この発光効率は７％であり、従来の
構成のものに比べて２５倍に向上した。

【００３６】紫外線発光ダイオードの第３実施例又、図７に示すように、発光ダイオード２００は、全て
の井戸層５２１に亜鉛を添加し、全てのバリア層５１１
にシリコンを添加したものでも良い。この構造におい
て、アクセプタ準位とドナー準位による対発光が可能と
なり、紫外線の発光効率が向上する。尚、逆に、全ての
井戸層５２１にシリコンを添加し、全てのバリア層５１
１に亜鉛を添加するようにしても良い。このようにして
得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発光ピーク波長
370nm、発光強度５mWであった。この発光効率は７％で
あり、従来の構成のものに比べて２５倍に向上した。

【００３７】さらに、上記の全ての発光ダイオードは、
バリア層５１、５１０、５１１にはマグネシウムが添加
されていないが、マグネシウムを添加した後の、熱処
理、又は、電子線照射処理によりｐ型化しても良い。こ
のようにして得られた発光素子は、駆動電流20mAで、発
光ピーク波長 380nm、発光強度１０mWであった。この発
光効率は１５％であり、従来の構成のものに比べて５０
倍に向上した。

【００３８】紫外線発光ダイオードの第４実施例さらに、発光ダイオード３００を図８に示すような構成
としても良い。即ち、発光ダイオード３００を膜厚約5.
0 μｍ、濃度 5×10¹⁸/cm³のシリコンドープGaN から成
る高キャリア濃度ｎ⁺層３０、膜厚約0.5 μｍ、濃度 5
×10¹⁷/cm³のシリコンドープのGaN から成るｎ層４０、
全膜厚約0.41μｍの発光層５０、膜厚約0.5 μｍ、ホー
ル濃度5 ×10¹⁷/cm³、濃度 5×10²⁰/cm³にマグネシウム
がドープされたAl_0.08Ga_0.92N から成るｐ層６１０、膜
厚約1 μｍ、ホール濃度 7×10¹⁸/cm³、マグネシウム濃
度 5×10²¹/cm³のマグネシウムドープのGaN から成るコ
ンタクト層６２０で構成しても良い。

【００３９】但し、発光層５０の詳細な構成は、膜厚約
100 ÅのGaN から成る２１層のバリア層５１２と膜厚約
100 ÅのIn_0.07Ga_0.93N から成る２０層の井戸層５２２
とが交互に積層された多重量子井戸構造で、全膜厚約0.
41μｍである。又、井戸層５２２には、シリコンが5 ×
10¹⁸/cm³の濃度に添加されている。

【００４０】このようにして得られた発光素子は、駆動
電流20mAで、発光ピーク波長３８０nm、発光強度２ｍＷ
であった。この発光効率は３％であり、従来の構成のも
のに比べて１０倍に向上した。

【００４１】尚、発光層５０の井戸層５２２にIn_0.07Ga
_0.93N を用いたが、Al_0.03Ga_0.89In_0.08N 等の４元系の
３族窒化物半導体を用いてもよい。又、バリア層５１２
にGaN を用いたが、井戸層５２２の禁制帯幅よりも大き
な禁制帯幅を有するAl_x2Ga_Y2In_1-X2-Y2N 半導体を用い
ても良い。又、発光層５０の多重量子井戸の繰り返し層
数は１〜２０程度を用いることができる。さらに、バリ
ア層５１２と井戸層５２２は略格子定数を一致させるよ
うに組成比を選択するのが良い。又、上記の第１〜第４
実施例において、発光層は多重量子井戸構造としたが１
重の量子井戸構造としても良い。

【００４２】紫外線発光ダイオードの第５実施例又、上記の全ての発光ダイオードの発光層は多重量子井
戸構造としたが、他の発光ダイオード４００として、図
９に示すように、発光層５００を、膜厚約0.5μｍのIn
_0.07Ga_0.93N で構成しても良い。この場合の発光ダイオ
ードは、駆動電流20mAで、発光ピーク波長380 nm、発光
強度１mWであった。この発光効率は1.5%であり、従来の
構成のものに比べて５倍に向上した。この発光層５００
は不純物を添加していないが、シリコン等のドナー不純
物や亜鉛等のアクセプタ不純物を添加しても良い。発光
層５００は厚さ0.5 μｍにしているので、正孔の拡散長
よりも厚くなり、ｎ層４０と発光層５００との間の障壁
が小さくても、発光効率を低下させることはない。

【００４３】又、図８と図９に示す発光ダイオードは、
ｎ⁺層３０とｎ層４０とは共にGaNであるので、これら
の層間での格子不整合は存在しない。よって、この格子
不整合によるミスフィット転位が発光層５０、５００に
発生することはない。又、GaN とIn_0.07Ga_0.93N との間
の格子不整合は小さく、ｎ層４０と発光層５０との格子
不整合に伴う発光層５０、５００のミスフィット転位は
少ない。よって、発光層の結晶性が良くなった。

【００４４】他の実施例上記全ての実施例ではダブルヘテロ接合構造を用いた
が、シングルヘテロ接合構造であっても良い。さらに、
ｐ層を形成するのに熱処理を用いたが、電子線照射によ
ってｐ型化しても良い。発光ダイオードの例を示した
が、レーザダイオードであっても同様に構成可能であ
る。

【００４５】表示装置の第１実施例次に、このようにして形成された発光ダイオード１０、
１００、２００、３００、４００を用いた平面ディスプ
レイについて説明する。以下の説明では発光ダイオード
は代表して１０で表されている。尚、以下の記述におい
て、Ｒ，Ｇ，Ｂは、表示の１ドットにおける赤色画素、
緑色画素、青色画素を意味し、x1,x2,y1,y2 等は、表示
ドットの列番号、行番号を表している。

【００４６】図１０に示すように、プリント基板１１の
表面上には、ｘ軸方向に平行に表示画面の行数だけの信
号線（行ライン）１１０_y1, １１０_y2,…が形成されて
いる。又、プリント基板１１の裏面上にはｙ軸方向に平
行に表示画面の列数の３倍のアドレス線（列ライン）１
２０Ｒ_x1,１２０Ｇ_x1,１２０Ｂ_x1,…が形成されてい
る。そして、アドレス線１２０Ｒ_x1;１２０Ｇ_x1;１２
０Ｂ_x1;…は、それぞれ、プリント基板１１の表面上の
ランド１２１Ｒ_x1,y1,１２１Ｒ_x1,y2,…_;１２１Ｇ
_x1,y1,１２１Ｇ_x1,y2,…_;１２１Ｂ_x1,y1,１２１Ｂ
_x1,y2,…_;…に、スルーホールを介して接続されてい
る。

【００４７】このようなプリント基板１１の表面に上記
の構成の発光ダイオード１０Ｒ_x1,y1,１０Ｇ_x1,y1,１０
Ｂ_x1,y1,…; １０Ｒ_x1,y2,１０Ｇ_x1,y2,１０Ｂ
_x1,y2,…; …が、図１０に示すように、２次元配列され
ている。そして、発光ダイオード１０Ｒ_x1,y1,１０Ｇ
_x1,y1,１０Ｂ_x1,y1,…; １０Ｒ_x1,y2,１０Ｇ_x1,y2,１０
Ｂ_x1,y2,…; … の電極７は、金線により、それぞれ、
信号線１１０_y1; １１０_y2; …に接続されている。又、
発光ダイオード１０Ｒ_x1,y1,１０Ｒ_x1,y2,…; １０Ｇ
_x1,y1,１０Ｇ_x1,y2,…; １０Ｂ_x1,y1,１０Ｂ_x1,y2,…;
…の電極８は、金線により、それぞれ、アドレス線１２
０Ｒ_x1; １２０Ｇ_x1; １２０Ｂ_x1; …に接続されてい
る。このようにして、ＬＥＤマトリックスが形成されて
いる。

【００４８】一方、図１１に示す様に、ガラス基板１２
の裏面上には、図１０に示すＬＥＤマトリックスに対応
して、赤、緑青の３原色の蛍光体層１３Ｒ_x1,y1,１３
Ｇ_x1,y1,１３Ｂ_x1,y1,…; １３Ｒ_x1,y2,１３Ｇ_x1,y2,１
３Ｂ_x1,y2,…; …がドットマトリックスに形成されてい
る。この赤、緑、青の３画素で表示画面の１ドットＡが
形成されている。このガラス基板１２とプリント基板１
１とが、図１２に示すように、平行に接合されて、平面
ディスプレイ１４が形成される。この平面ディスプレイ
１４では、選択されたドットの選択された色の画素に対
応した発光ダイオード１０が駆動されると、その画素の
蛍光体層１３に紫外線が照射され、所定の色が発光す
る。赤、緑、青の各画素に対応した発光ダイオード１０
Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂの紫外線の発光強度を制御すること
で、表示画面上の１ドットの発光色を制御することがで
きる。

【００４９】上記の蛍光体層１３には、蛍光顔料、蛍光
染料、その他の蛍光物質を用いることができる。緑色発
光の蛍光体としてZnS:Cu,Al 蛍光体とY₂Al₅O₁₂:Tb 蛍光
体との混合体、赤色発光の蛍光体としてY₂O₃:Eu 蛍光体
とY₂O₃S:Eu蛍光体との混合体、青色発光の蛍光体として
ZnS:Ag,Al 蛍光体を用いることもできる。その他の蛍光
体材料としては、Zn_0.2Cd_0.8S:Ag、Zn_0.6Cd_0.4S:Ag、(S
r,Ca)₁₀(PO₄)₆CL₂:Eu等を用いることができる。

【００５０】表示装置の第２実施例次に示す実施例は、可変色の単一発光素子である。上述
したように、サファイア基板１上にバッファ層２、ｎ⁺
層３、ｎ層４、発光層５、ｐ層６１、コンタクト層６２
まで形成される。次に、図１３、図１４、図１５に示す
ように、ｎ⁺層３までエッチングされ、ｎ層４、発光層
５、ｐ層６１、コンタクト層６２の島が３画素分形成さ
れる。次に、絶縁膜８０でｎ⁺層３の露出部が覆われた
後、ｎ⁺層３及びコンタクト層６２に対する電極形成部
の絶縁膜８０に窓が形成される。その後、図１３、図１
４、図１５に示すように、各コンタクト層６２Ｒ，６２
Ｇ，６２Ｂに接合する電極７Ｒ，７Ｇ，７Ｂとｎ⁺層３
に接合する電極８とが形成される。

【００５１】そして、電極７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの上面に
赤、緑、青の蛍光体層１３Ｒ，１３Ｇ、１３Ｂが形成さ
れる。このように、ｎ⁺層３が各発光層５Ｒ，５Ｇ，５
Ｂに対する共通電極となり、電極７Ｒ，７Ｇ，７Ｂが３
原色の選択電極となる。電極８をアースとして、電極７
Ｒ，７Ｇ，７Ｂのそれぞれに制御電圧が印加されること
で、各発光層５Ｒ，５Ｇ、５Ｂから制御電圧に対応した
強度の紫外線が発光され、各蛍光体層１３Ｒ，１３Ｇ、
１３Ｂは制御電圧に対応した強度の赤、緑、青色の光を
放射する。このようにして、可変色発光の発光素子が得
られる。

【００５２】表示装置の第３実施例又、各コンタクト層６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂに接合する
電極７を共通電極とし、ｎ⁺層３を各色毎に形成して、
各ｎ⁺層３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに接合する電極８Ｒ，８Ｇ，
８Ｂを選択電極とするには、図１６、図１７、図１８に
示すように発光素子を形成すれば良い。この場合には、
３画素分の島を形成するためのエッチングは、サファイ
ア基板１が露出するまで実行される。即ち、バッファ層
２からコンタクト層６２までが完全に３つの島に分離さ
れ、各ｎ⁺層３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに対する電極形成部位に
おいて、ｎ⁺層３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの一部が露出するよう
にエッチングされる。そして、絶縁膜８０が形成された
後、各コンタクト層６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂに共通して
接合するように電極７が形成され、露出した各ｎ⁺層３
Ｒ，３Ｇ，３Ｂにそれぞれ接合する電極８Ｒ，８Ｇ，８
Ｂが形成される。

【００５３】表示装置の第４実施例図１３、図１６に示すような単一チップ可変色発光ダイ
オードを図１０と同様に２次元配列させることで、フル
カラーの平面ディスプレイを製造することができる。こ
の場合には、表示画面上の１ドット毎に３原色発光可能
な発光ダイオードチップが２次元配列されることにな
る。さらに、図１３、図１６に示す構造の蛍光体層が塗
布されていない発光ダイオードチップを図１０に示すよ
うに２次元配列し、図１２に示すように蛍光体層が塗布
されたガラス基板に対面させても良い。

【００５４】表示装置の第５実施例次に示す実施例は、単一のサファイア基板でフルカラー
の平面ディスプレイを構成した例である。上述したよう
に、サファイア基板１上にバッファ層２、ｎ⁺層３、ｎ
層４、発光層５、ｐ層６１、コンタクト層６２まで形成
される。次に、図１９、図２１に示すように、ｘ軸方向
に平行なラインをｙ軸に沿って多数本形成するように、
コンタクト層６２からバッファ層２までエッチングされ
る。即ち、行ライン以外は、サファイア基板１までエッ
チングされる。次に、各３原色の画素に対応して、図１
９、図２０に示すように、ドットマトリックスに、ｎ⁺
層３までエッチングされ、ｎ層４、発光層５、ｐ層６
１、コンタクト層６２の島がドットマトリックスに形成
される。次に、絶縁膜８０で覆った後、ｎ⁺層３及びコ
ンタクト層６２に対する電極形成部の絶縁膜８０に窓が
形成される。その後、図１９、図２０、図２１に示すよ
うに、各列ラインの各コンタクト層６２Ｒ_x1,y1,６２Ｒ
_x1,y2,…; ６２Ｇ_x1,y1,６２Ｇ_x1,y2,…; ６２Ｂ_x1,y1,
６２Ｂ_x1,y2,…; …に接合する電極７Ｒ_x1; ７Ｇ_x1; ７
Ｂ_x1; …がｙ軸方向に平行な列ラインとして形成され
る。又、各行ラインのｎ⁺層３_y1，３_y2，…に接合する
電極８_y1, ８_y2,…が形成される。

【００５５】そして、電極７Ｒ_x1; ７Ｇ_x1; ７Ｂ_x1; …
の上面に赤、緑、青の蛍光体層１３Ｒ_x1,y1,１３Ｒ
_x1,y2,…; １３Ｇ_x1,y1,１３Ｇ_x1,y2,…; １３Ｂ_x1,y1,
１３Ｂ_x1,y2,…; …が形成される。このように、ｎ⁺層
３_y1，３_y2，…が行ライン（信号線）、電極７Ｒ_x1; ７
Ｇ_x1; ７Ｂ_x1; …が列ライン（アドレス線）となる。こ
のように構成することで、行ラインと列ラインを選択し
て、制御電圧を印加することで、電界が印加された画素
の発光層５から紫外線が発光し、対応する画素の蛍光体
層から可視光線が放射される。表示画面の各ドットＡに
おいて、３原色の画素の発光層５Ｒ，５Ｇ，５Ｂに印加
する電圧を制御することで、任意の色の発光を得ること
ができる。

【００５６】表示装置の第６実施例又、ｎ⁺層３を列ライン、電極７を行ラインとすること
もできる。即ち、図２２、図２３に示すように、ｙ軸方
向に平行な列ラインをｘ軸に沿って多数本形成するよう
に、コンタクト層６２からバッファ層２までエッチング
される。即ち、列ライン以外は、サファイア基板１まで
エッチングされる。次に、各３原色の画素に対応して、
図２２、図２４に示すように、ドットマトリックスに、
ｎ⁺層３までエッチングされ、ｎ層４、発光層５、ｐ層
６１、コンタクト層６２の島がドットマトリックスに形
成される。次に、絶縁膜８０で覆った後、ｎ⁺層３及び
コンタクト層６２に対する電極形成部の絶縁膜８０に窓
が形成される。その後、図２２、図２３、図２４に示す
ように、各行ラインの各コンタクト層６２Ｒ_x1,y1,６２
Ｇ_x1,y1,６２Ｂ_x1,y1,…; ６２Ｒ_x1,y2,６２Ｇ_x1,y2,６
２Ｂ_x1,y2,…; …に、それぞれ、接合する電極７_y1; ７
_y2; …がｘ軸方向に平行な行ラインとして形成される。
又、各列ラインのｎ⁺層３Ｒ_x1,y1,３Ｒ_x1,y2,…; ３Ｇ
_x1,y1,３Ｇ_x1,y2,…; ３Ｂ_x1,y1,３Ｂ_x1,y2,…; …に、
それぞれ、接合する電極８Ｒ_x1; ８Ｇ_x1; ８Ｂ_x1; …が
形成される。

【００５７】そして、電極７_y1; ７_y2; …の上面に、
赤、緑、青の蛍光体層１３Ｒ_x1,y1,１３Ｇ_x1,y1,１３Ｂ
_x1,y1,…; １３Ｒ_x1,y2,１３Ｇ_x1,y2,１３Ｂ_x1,y2,…;
…がそれぞれ形成される。このように、ｎ⁺層３Ｒ_x1,
３Ｇ_x1,３Ｂ_x1; ３Ｒ_x2,３Ｇ_x2,３Ｂ_x2; …列ライン
（アドレス線）、電極７_y1; ７_y2; …が行ライン（信号
線）となる。このように構成することで、行ラインと列
ラインを選択して、制御電圧を印加することで、電界が
印加された画素の発光層５から紫外線が発光し、対応す
る画素の蛍光体層１３から可視光線が放射される。表示
画面上の各ドットＡにおいて、３原色の画素の発光層５
Ｒ，５Ｇ，５Ｂに印加する電圧を制御することで、任意
の色の発光を得ることができる。

【００５８】尚、上記の第５、第６実施例において、蛍
光体層はサファイア基板１の裏面に形成しても良い。さ
らに、第５、第６の実施例において、蛍光体層を形成し
ていない構造の紫外線発光の平面発光体と、蛍光体層が
ドットマトリックスに塗布されたガラス基板とを対面さ
せて平面ディスプレイを構成しても良い。

【００５９】表示装置の第７実施例図２５に示すように、ｎ⁺層３を共通の導電層とし、ｎ
層４から電極７までを、各画素毎に分離してドットマト
リックスとして、各画素の電極７に対して各信号線（行
ライン）接続されている列画素を選択するためのゲート
トランジスタを介して制御電圧を各画素に選択的に印加
するようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の表示装置に使用される紫
外線発光ダイオードを構造を示した断面図。

【図２】同実施例の紫外線発光ダイオードの製造工程を
示した断面図。

【図３】同実施例の紫外線発光ダイオードの製造工程を
示した断面図。

【図４】同実施例の紫外線発光ダイオードの製造工程を
示した断面図。

【図５】同実施例の紫外線発光ダイオードの製造工程を
示した断面図。

【図６】他の例の紫外線発光ダイオードの構成を示した
構成図。

【図７】他の例の紫外線発光ダイオードの構成を示した
構成図。

【図８】他の例の紫外線発光ダイオードの構成を示した
構成図。

【図９】他の例の紫外線発光ダイオードの構成を示した
構成図。

【図１０】第１実施例の表示装置の基板の構成を示した
平面図。

【図１１】第１実施例の表示装置のガラス基板の構成を
示した平面図。

【図１２】第１実施例の表示装置の組立構造を示した側
面図。

【図１３】第２実施例の表示装置の構成を示した平面
図。

【図１４】第２実施例の表示装置をｘ軸方向に切断した
断面図。

【図１５】第２実施例の表示装置をｙ軸方向に切断した
断面図。

【図１６】第３実施例の表示装置の構成を示した平面
図。

【図１７】第３実施例の表示装置をｘ軸方向に切断した
断面図。

【図１８】第３実施例の表示装置をｙ軸方向に切断した
断面図。

【図１９】第５実施例の表示装置の構成を示した平面
図。

【図２０】第５実施例の表示装置をｘ軸方向に切断した
断面図。

【図２１】第５実施例の表示装置をｙ軸方向に切断した
断面図。

【図２２】第６実施例の表示装置の構成を示した平面
図。

【図２３】第６実施例の表示装置をｘ軸方向に切断した
断面図。

【図２４】第６実施例の表示装置をｙ軸方向に切断した
断面図。

【図２５】第７実施例の表示装置の構成を示した平面
図。

【符号の説明】

１０，１００，２００，３００，４００…発光ダイオー
ド１…サファイア基板２…バッファ層３，３０…高キャリア濃度ｎ⁺層４，４０…ｎ層５，５０，５００…発光層５１，５１０，５１１，５１２…バリア層５２，５２０，５２１，５２２…井戸層６１，６１０…ｐ層６２，６２０…コンタクト層７，８…電極１３……蛍光体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光層に３族窒素化物半導体を用いた表
示装置において、紫外線を発光する発光層と、前記発光層の放射する前記紫外線を受光して、赤、青、
緑の３原色の可視光に変換する蛍光体層とを設けたこと
を特徴とする表示装置。
【請求項２】前記発光層に給電するための電極層を有
し、前記蛍光体層はその電極層上に形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】前記発光層を形成するためのサファイア
基板を有し、前記蛍光体層はそのサファイア基板の前記
発光層の形成側とは反対側の面に形成されていることを
特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】前記蛍光体層は、３原色発光する隣接し
た３画素を１組として構成される表示の１ドットが２次
元配列されたものであり、前記発光層は、前記各画素に
対して紫外線を照射するように２次元配列されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】前記蛍光体層はガラス基板上に形成され
ており、前記蛍光体層の各画素に対応して、その各画素
に紫外線を照射するための前記発光層を有したチップが
前記蛍光体層に平行に２次元配列されていることを特徴
とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項６】前記蛍光体層はガラス基板上に形成され
ており、前記蛍光体層の前記３画素を１組とした表示の
各ドットに対応して、その３画素に対応して３本の紫外
線を発光するための前記発光層を有したチップが前記蛍
光体層に平行に２次元配列されていることを特徴とする
請求項４に記載の表示装置。
【請求項７】前記蛍光体層はガラス基板上に形成され
ており、前記２次元配列された前記発光層は基板上に積
層された平面層の加工により形成されたものであること
を特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項８】前記２次元配列された前記発光層は基板
上に積層された平面層の加工により形成された層であ
り、前記蛍光体層は前記発光層に給電するための電極層
上に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の
表示装置。
【請求項９】前記２次元配列された前記発光層はサフ
ァイア基板上に積層された平面層の加工により形成され
た層であり、前記蛍光体層はそのサファイア基板の前記
発光層の形成側とは反対側の面に形成されていることを
特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項１０】前記発光層は絶縁基板上にドットマト
リックス型に形成されており、基板上の導電層はｘ軸方
向に長くラインに形成され、その各ラインはｘ軸に垂直
なｙ軸方向には絶縁されており、前記発光層の上方に位
置する電極層は前記ｙ軸方向に長くラインに形成され、
その各ラインは前記ｘ軸方向には絶縁されることで、ド
ットマトリッスク型の表示を可能とした請求項４に記載
の表示装置。
【請求項１１】前記蛍光体層は前記電極層上に形成さ
れていることを特徴とする請求項１０に記載の表示装
置。
【請求項１２】前記絶縁基板はサファイア基板であ
り、前記蛍光体層はそのサファイア基板の前記発光層の
形成側とは反対側の面に形成されていることを特徴とす
る請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１３】前記発光層は、Al_x1Ga_Y1In_1-X1-Y1Nか
ら成る井戸層とこの井戸層よりも禁制帯幅の広いAl_x2Ga
_Y2In_1-X2-Y2Nから成るバリア層とを少なくとも１層以上
交互に積層させた量子井戸で構成され、前記発光層にア
クセプタ不純物とドナー不純物とを添加したことを特徴
とする請求項１乃至請求項１２項の何れかに記載の表示
装置。
【請求項１４】前記発光層の各井戸層又は井戸層及び
バリア層に前記アクセプタ不純物と前記ドナー不純物と
が共に添加されていることを特徴とする請求項１３に記
載の表示装置。
【請求項１５】前記発光層の隣接する井戸層に、前記
アクセプタ不純物と前記ドナー不純物とが交互に添加さ
れていることを特徴とする請求項１３に記載の表示装
置。
【請求項１６】前記発光層の前記井戸層には前記アク
セプタ不純物が、前記発光層の前記バリア層には前記ド
ナー不純物が、逆に、前記井戸層には前記ドナー不純物
が、前記バリア層には前記アクセプタ不純物が、それぞ
れ、添加されていることを特徴とする請求項１３に記載
の表示装置。
【請求項１７】前記バリア層はGaN から成ることを特
徴とする請求項１３に記載の表示装置。
【請求項１８】前記井戸層と前記バリア層は格子定数
が一致していることを特徴とする請求項１３に記載の表
示装置。
【請求項１９】前記発光層は、ｐ伝導型のｐ層とｎ伝
導型のｎ層とで挟まれ、正孔の拡散長よりも厚く構成
し、前記ｎ層を、前記発光層と格子定数が略等しくなる
ドナー不純物が添加されたAl_x3Ga_Y3In_1-X3-Y3N半導体で
構成し、前記ｐ層を、前記発光層に注入された電子を閉じ込める
のに十分なだけ、前記発光層よりも禁制帯幅が大きいア
クセプタ不純物が添加されたAl_x4Ga_Y4In_1-X4-Y4N半導体
で構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の
何れかに記載の表示装置。
【請求項２０】前記発光層はGa_Y5In_1-Y5N (0.92 ≦Y5
≦1)で構成され、前記ｎ層はドナー不純物が添加された
GaN で構成されていることを特徴とする請求項１９に記
載の表示装置。