JP7552575B2 - Ｌｅｄディスプレイ - Google Patents

Description

本明細書の技術分野は、ＬＥＤディスプレイに関する。

ディスプレイ装置は、テレビ、デスクトップコンピュータ、ノートブックコンピュータ、スマートフォン等、多岐にわたって利用されている。そして、ＬＥＤ素子を用いるマイクロＬＥＤディスプレイが研究開発されてきている。マイクロＬＥＤディスプレイは、１μｍ以上１００μｍ以下の程度の微小な発光部をマトリクス状に配列したものである。

このようなマイクロＬＥＤディスプレイにおいては、ＬＥＤ素子の部分的な発光不良等に起因して、画面不良が発生することがある。特許文献１には、画像不良を回避する技術が開示されている。特許文献１では、ＬＥＤ３００の２つの発光ダイオードが並列に接続されているため、ＬＥＤ３００は冗長性を備えている。

特開２０１８－１０１７８５号公報

前述のように、特許文献１では、ＬＥＤ３００の２つの発光ダイオードが並列に配置されている。このため、構成する２つの発光ダイオードの電極を１つに統合するための共通電極が必要になり、構造がその分だけ複雑になっている。

また、マイクロＬＥＤの電極や、接合する駆動回路の電極はとても小さいため、これらの電極を可能な限り大きく、簡素化することが実装精度の観点から望ましい。

本明細書の技術が解決しようとする課題は、画像不良を回避しつつ、マイクロＬＥＤの構造の簡素化および駆動回路の電極の簡素化を図ったＬＥＤディスプレイを提供することである。

第１の態様におけるＬＥＤディスプレイは、モノリシック型の発光素子と、発光素子を駆動する駆動回路を有する駆動回路基板と、を有する。発光素子は、１ピクセルに対応するピクセル発光部を有する。ピクセル発光部は、１個以上のサブピクセル発光部を有する。サブピクセル発光部は、並列に接続された第１部分発光部と第２部分発光部とを有する。第１部分発光部は、第１ｐ電極を有する。第２部分発光部は、第２ｐ電極を有する。駆動回路は、１個のサブピクセル発光部に対して１個のトランジスタを有する。トランジスタの１つの電極は、第１ｐ電極を介して第１部分発光部に電気的に接続されるとともに、第２ｐ電極を介して第２部分発光部に電気的に接続されている。

このＬＥＤディスプレイにおいては、一つのサブピクセル発光部Ｒ１に対して、一つのトランジスタＴｒＲ１が配置されている。トランジスタ側の１個の電極に対して、部分発光部側の２個の電極が電気的に接続されているため、発光素子の実装性が向上している。

本明細書では、画像不良を回避しつつ、駆動回路の簡素化を図ったＬＥＤディスプレイが提供されている。

第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１の概略構成図である。 第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１の積層構造を示す図である。 第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１におけるバンド構造と電子および正孔の振舞を概念的に示す図である。 第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１の駆動回路ＣＣ１を模式的に示す回路図である。

以下、具体的な実施形態について、ＬＥＤディスプレイを例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、後述するＬＥＤディスプレイの各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。

（第１の実施形態）
１．ＬＥＤディスプレイ
図１は、第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１の概略構成図である。ＬＥＤディスプレイＤ１は、マイクロＬＥＤ素子１００と、駆動回路基板２００と、を有する。図１に示すように、マイクロＬＥＤ素子１００は、モノリシック型の半導体発光素子である。

マイクロＬＥＤ素子１００は、複数のピクセル発光部Ａ１を有する。ピクセル発光部Ａ１は、１ピクセルに対応する発光領域である。このため、ピクセル発光部Ａ１は、マトリクス状に配列されている。ピクセル発光部Ａ１は、サブピクセル発光部Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１を有する。サブピクセル発光部Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１は、それぞれ、赤色、緑色、青色に発光する領域である。

サブピクセル発光部Ｒ１は、並列に接続された第１部分発光部ＲＣ１と、第２部分発光部ＲＣ２と、を有する。サブピクセル発光部Ｇ１は、並列に接続された第１部分発光部ＧＣ１と、第２部分発光部ＧＣ２と、を有する。サブピクセル発光部Ｂ１は、並列に接続された第１部分発光部ＢＣ１と、第２部分発光部ＢＣ２と、を有する。

第１部分発光部ＲＣ１は、第１ｐ電極Ｐ１ａを有する。第２部分発光部ＲＣ２は、第２ｐ電極Ｐ１ｂを有する。第１部分発光部ＧＣ１は、第１ｐ電極Ｐ１ｃを有する。第２部分発光部ＧＣ２は、第２ｐ電極Ｐ１ｄを有する。第１部分発光部ＢＣ１は、第１ｐ電極Ｐ１ｅを有する。第２部分発光部ＢＣ２は、第２ｐ電極Ｐ１ｆを有する。これらのｐ電極をまとめてｐ電極Ｐ１と示すことがある。

このように、各サブピクセル発光部は、第１部分発光部と第２部分発光部とを有する。第１部分発光部と第２部分発光部とは、隣接する領域であり、それぞれ、異なる電極が接続されている。例えば、第１部分発光部が仮に発光しない発光不良であった場合に、第２部分発光部が発光する。

駆動回路基板２００は、駆動回路ＣＣ１を有する。駆動回路ＣＣ１はマイクロＬＥＤ素子１００を駆動する。

２．積層構造
図２は、第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１の積層構造を示す図である。図２に示すように、マイクロＬＥＤ素子１００は、透明基板ＴＳ１と、半導体層ＳＭ１と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、反射層ＲＦ１と、を有する。マイクロＬＥＤ素子１００は、１つの素子に複数の発光部がマトリクス状に配列されたモノリシック型のIII 族窒化物半導体からなる発光素子である。

透明基板ＴＳ１は、例えば、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣである。

半導体層ＳＭ１は、ｎ型コンタクト層１２０と、第１発光層１３０と、第１中間層１４０と、第２発光層１５０と、第２中間層１６０と、第３発光層１７０と、キャップ層１８０と、ｐ型コンタクト層１９０と、を有する。

駆動回路基板２００は、駆動回路ＣＣ１を有する。駆動回路ＣＣ１はトランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１を有する。トランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１は、部分発光部に電流を流すか否かを選択する選択トランジスタである。

サブピクセル発光部Ｒ１は、ｎ型コンタクト層１２０と、第１発光層１３０と、第１中間層１４０と、第２発光層１５０と、第２中間層１６０と、第３発光層１７０と、キャップ層１８０と、ｐ型コンタクト層１９０と、を有する。

サブピクセル発光部Ｇ１は、ｎ型コンタクト層１２０と、第１発光層１３０と、第１中間層１４０と、第２発光層１５０と、第２中間層１６０と、ｐ型コンタクト層１９０と、を有する。

サブピクセル発光部Ｂ１は、ｎ型コンタクト層１２０と、第１発光層１３０と、第１中間層１４０と、ｐ型コンタクト層１９０と、を有する。

ｐ電極Ｐ１は、それぞれ、透明電極ＴＥ１の上に設けられている。透明電極ＴＥ１は、ｐ型コンタクト層１９０の上に設けられている。ｐ電極Ｐ１はマトリクス状のパターンに配置されている。このため、第１部分発光部および第２部分発光部には、それぞれ、１つの透明電極ＴＥ１および１つのｐ電極Ｐ１が配置されている。また、それぞれのｐ電極Ｐ１は互いに絶縁されている。

ｎ電極Ｎ１は、マイクロＬＥＤ素子１００の外周に沿った矩形の環状のパターンで形成されている。マイクロＬＥＤ素子１００の外周はエッチングによりｎ型コンタクト層１２０に達する溝が設けられており、その溝の底面に露出するｎ型コンタクト層１２０の上にｎ電極Ｎ１が設けられている。ｎ電極Ｎ１は１つであり、各ピクセルに共通となっている。このため、ｎ電極Ｎ１は、すべての第１部分発光部と第２部分発光部とで共通である。ｎ電極Ｎ１の材料は、たとえばＴｉ／Ａｌなどの積層体である。

マイクロＬＥＤ素子１００は、各ピクセルを分離するための溝を設けておらず、ｎ電極Ｎ１も各ピクセルで共通化されている。そのため、微細化が可能となっている。

ｎ電極Ｎ２は、駆動回路基板２００側に設けられている。ｎ電極Ｎ２は、マイクロＬＥＤ素子１００のｎ電極Ｎ１と電気的に接合されている。

ｐ電極Ｐ２は、駆動回路基板２００側に設けられている。ｐ電極Ｐ２は、マイクロＬＥＤ素子１００のｐ電極Ｐ１と電気的に接合されている。

絶縁層Ｉ１は、複数のｐ電極Ｐ１を絶縁する層である。また、絶縁層Ｉ１は、各部分発光部の透明電極ＴＥ１を絶縁する。

３．バンド構造と電子および正孔の振舞
図３は、第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１におけるバンド構造と電子および正孔の振舞を概念的に示す図である。図３では、説明の簡単のために、各発光層は単一量子井戸構造を有するものとして描かれている。各発光層は、多重量子井戸構造であってもよい。

ｐコンタクト電極ｐ３から注入された正孔は容易に第３発光層１７０に進入する。正孔は第３発光層１７０からほとんど出ることなく第３発光層１７０に留まる。第３発光層１７０から見た第２中間層１６０の障壁が十分に高いからである。

ｎコンタクト電極Ｎ１から注入された電子は第１発光層１３０に進入する。第１発光層１３０から見た第１中間層１４０の障壁はそれほど高くない。このため、電子は第１発光層１３０から第２発光層１５０に移動しやすい。第２発光層１５０から見た第２中間層１６０の障壁はそれほど高くない。このため、電子は第２発光層１５０から第３発光層１７０に移動しやすい。第３発光層１７０に進入した電子はほとんど移動せずに第３発光層１７０に留まる。第３発光層１７０に隣接する障壁が十分に高いからである。

このように、電子は第３発光層１７０に存在しやすく、正孔は第３発光層１７０に存在しやすい。つまり、電子の波動関数および正孔の波動関数は、第３発光層１７０の位置で大きな振幅をもつとともに、互いによく重なり合う。このため、第３発光層１７０で集中的に発光し、第１発光層１３０および第２発光層１５０ではそれほど発光しない。

第３発光層１７０が存在しない場合には、第２発光層１５０で集中的に発光し、第１発光層１３０ではそれほど発光しない。

４．回路図
４－１．回路の構成
図４は、第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１の駆動回路ＣＣ１を模式的に示す回路図である。図４に示すように、駆動回路ＣＣ１は、走査線回路２１０と、ＰＷＭ回路２２０と、走査線２３０と、データ線２４０と、トランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１と、を有する。

走査線回路２１０およびＰＷＭ回路２２０は、ＬＳＩ素子として実現され、駆動回路基板２００上に実装されている。

走査線回路２１０は、ＬＥＤディスプレイＤ１の行ごとに設けられた走査線２３０のうち、１つを順に選択して導通させる回路である。走査線回路２１０は、サブピクセル発光部Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１のうち発光させる行を順に１つずつ選択して走査する。

ＰＷＭ回路２２０は、ＬＥＤディスプレイＤ１の列ごとに設けられている。ＰＷＭ回路２２０は、データ線２４０に接続されている。ＰＷＭ回路２２０は、部分発光部（ＲＣ１等）に流す電流をパルス変調する回路であり、デューティー比によって部分発光部の明るさを制御する回路である。ＰＷＭ制御を用いることにより、部分発光部の発光波長にずれを生じさせることなく明るさを制御することができる。このように、ＰＷＭ回路２２０は、サブピクセル発光部Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１の列ごとに設けられ、サブピクセル発光部Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１に流す電流をパルス変調してデューティー比を制御する。

走査線２３０は、ＬＥＤディスプレイＤ１の行ごとに設けられている。走査線２３０は、対応する行のトランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１のゲートに並列接続されている。

データ線２４０は、ＬＥＤディスプレイＤ１の列ごとに設けられている。データ線２４０は、対応する列のトランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１のドレインに並列接続されている。

トランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１は、サブピクセルごとに設けられている。トランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１のゲートは走査線２３０に接続され、ドレインはデータ線２４０に接続され、ソースは部分発光部（ＲＣ１等）のアノード（ｐ電極Ｐ１）に接続されている。トランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１のオンオフはゲートへの電圧印加によって制御され、オン状態のときは線路が導通して部分発光部（ＲＣ１等）に電流が流れうる状態となり、オフ状態のときは線路が遮断して部分発光部（ＲＣ１等）に電流が流れない。

サブピクセル発光部Ｒ１は、第１部分発光部ＲＣ１と、第２部分発光部ＲＣ２と、トランジスタＴｒＲ１と、を有する。サブピクセル発光部Ｇ１は、第１部分発光部ＧＣ１と、第２部分発光部ＧＣ２と、トランジスタＴｒＧ１と、を有する。サブピクセル発光部Ｂ１は、第１部分発光部ＢＣ１と、第２部分発光部ＢＣ２と、トランジスタＴｒＢ１と、を有する。

走査線回路２１０により選択された行のトランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１はオンとなってサブピクセル発光部Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１に電流が流れうる状態となる。走査線回路２１０により選択されていない行のトランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１はオフとなってサブピクセル発光部Ｒ１、Ｇ１、Ｂ１に電流が流れない状態となる。

４－２．トランジスタの配置
駆動回路ＣＣ１は、１個のサブピクセル発光部に対して１個のトランジスタを有する。トランジスタＴｒＲ１の１つの電極は、ｐ電極Ｐ１ａを介して第１部分発光部ＲＣ１に電気的に接続されるとともに、ｐ電極Ｐ１ｂを介して第２部分発光部ＲＣ２に電気的に接続されている。その他のトランジスタＴｒＧ１、ＴｒＢ１も同様である。

また、図１に示すように、トランジスタＴｒＲ１、ＴｒＧ１、ＴｒＢ１は、電極Ｐ２を有する。電極Ｐ２は、部分発光部のｐ電極Ｐ１に電気的に接続されるソース電極である。１つの電極Ｐ２に対して、２つのｐ電極Ｐ１が電気的に接続されているため、マイクロＬＥＤ素子１００を駆動回路基板２００に実装する際に、実装しやすい。つまり、位置精度がそれほど高くなくても、接合不良を起こしにくい。

４－３．回路の動作
まず、走査線回路２１０が、走査線２３０のうち１つを選択する。この際に、選択された走査線２３０に接続されているトランジスタのゲートに電圧が印加される。この段階では、まだ、トランジスタのソースに接続されている部分発光部は発光しない。

走査線回路２１０が、選択されているときに、ＰＷＭ回路２２０がデータ線２４０にパルス変調した電流を発生させる。この電流は、トランジスタのドレインに入力される。これにより、トランジスタのソースに接続されている２つの部分発光部に電流が流れ、これらの部分発光部は発光する。

５．第１の実施形態の効果
第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１においては、サブピクセル発光部Ｒ１は、第１部分発光部ＲＣ１と第２部分発光部ＲＣ２とを有する。一つのトランジスタＴｒＲ１は、一つのサブピクセル発光部Ｒ１に設けられている。一つのトランジスタＴｒＲ１は、第１部分発光部ＲＣ１と第２部分発光部ＲＣ２とを駆動する。第１部分発光部ＲＣ１と第２部分発光部ＲＣ２とは、並列接続されている。このため、第１部分発光部ＲＣ１と第２部分発光部ＲＣ２とのうちの一方が発光不良を生じていたとしても、他方の部分発光部が発光する。このため、ＬＥＤディスプレイＤ１は、画像不良をほとんど生じない。

このように、一つのサブピクセル発光部Ｒ１に対して、一つのトランジスタＴｒＲ１が配置されている。このため、駆動回路ＣＣ１を簡略化し、ＬＥＤディスプレイＤ１を小型化することができる。

また、ＰＷＭ回路２２０は列ごとに設けられているため、部分発光部ごとにＰＷＭ回路２２０を設ける場合よりも回路数を少なくすることができる。すなわち、ＬＥＤディスプレイＤ１の微細化を図ることができる。

駆動回路ＣＣ１が簡素化されるため、接合不良による不良品の発生が抑制される。つまり、歩留まりが向上する。

６．変形例
６－１．駆動回路の数
第１の実施形態のＬＥＤディスプレイＤ１は、一つの駆動回路ＣＣ１を有する。しかし、ＬＥＤディスプレイ１の領域を複数の領域に分割し、それぞれの領域に対応する駆動回路ＣＣ１を配置してもよい。

（付記）
第１の態様におけるＬＥＤディスプレイは、モノリシック型の発光素子と、発光素子を駆動する駆動回路を有する駆動回路基板と、を有する。発光素子は、１ピクセルに対応するピクセル発光部を有する。ピクセル発光部は、１個以上のサブピクセル発光部を有する。サブピクセル発光部は、並列に接続された第１部分発光部と第２部分発光部とを有する。第１部分発光部は、第１ｐ電極を有する。第２部分発光部は、第２ｐ電極を有する。駆動回路は、１個のサブピクセル発光部に対して１個のトランジスタを有する。トランジスタの１つの電極は、第１ｐ電極を介して第１部分発光部に電気的に接続されるとともに、第２ｐ電極を介して第２部分発光部に電気的に接続されている。

第２の態様におけるＬＥＤディスプレイにおいては、ピクセル発光部は、マトリクス状に配置されている。駆動回路は、サブピクセル発光部のうち発光させる行を順に１つずつ選択して走査する走査線回路と、サブピクセル発光部の列ごとに設けられ、サブピクセル発光部に流す電流をパルス変調してデューティー比を制御するＰＷＭ回路と、を有する。

第３の態様におけるＬＥＤディスプレイにおいては、走査線回路により選択された行のトランジスタはオンとなってサブピクセル発光部に電流が流れる状態となる。走査線回路により選択されていない行のトランジスタはオフとなってサブピクセル発光部に電流が流れない状態となる。

第４の態様におけるＬＥＤディスプレイは、第１サブピクセル発光部と第２サブピクセル発光部と第３サブピクセル発光部とを有する。第１サブピクセル発光部は、第１発光層を有する。第２サブピクセル発光部は、第１発光層と第２発光層とを有する。第３サブピクセル発光部は、第１発光層と第２発光層と第３発光層とを有する。

第５の態様におけるＬＥＤディスプレイにおいては、発光素子は、ｎ電極を有する。ｎ電極は、第１部分発光部と第２部分発光部とで共通化されている。

Ｄ１…ＬＥＤディスプレイ
１００…マイクロＬＥＤ素子
１２０…ｎ型コンタクト層
１３０…第１発光層
１４０…第１中間層
１５０…第２発光層
１６０…第２中間層
１７０…第３発光層
１８０…キャップ層
１９０…ｐ型コンタクト層
Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃ、Ｐ１ｄ、Ｐ１ｅ、Ｐ１ｆ…ｐ電極
Ｎ１…ｎ電極

Claims (5)

1. モノリシック型の発光素子と、
   前記発光素子を駆動する駆動回路を有する駆動回路基板と、
   を有し、
   前記発光素子は、
   １ピクセルに対応するピクセル発光部を有し、
   前記ピクセル発光部は、
   １個以上のサブピクセル発光部を有し、
   前記サブピクセル発光部は、
   並列に接続された第１部分発光部と第２部分発光部とを有し、
   前記第１部分発光部は、
   第１ｐ電極を有し、
   前記第２部分発光部は、
   第２ｐ電極を有し、
   前記駆動回路は、
   １個の前記サブピクセル発光部に対して１個のトランジスタを有し、
   前記トランジスタの１つの電極は、
   前記第１ｐ電極を介して前記第１部分発光部に電気的に接続されるとともに、
   前記第２ｐ電極を介して前記第２部分発光部に電気的に接続されていること
   を含むＬＥＤディスプレイ。
2. 請求項１に記載のＬＥＤディスプレイにおいて、
   前記ピクセル発光部は、
   マトリクス状に配置されており、
   前記駆動回路は、
   前記サブピクセル発光部のうち発光させる行を順に１つずつ選択して走査する走査線回路と、
   前記サブピクセル発光部の列ごとに設けられ、前記サブピクセル発光部に流す電流をパルス変調してデューティー比を制御するＰＷＭ回路と、
   を含むＬＥＤディスプレイ。
3. 請求項２に記載のＬＥＤディスプレイにおいて、
   前記走査線回路により選択された行の前記トランジスタはオンとなって前記サブピクセル発光部に電流が流れる状態となり、
   前記走査線回路により選択されていない行の前記トランジスタはオフとなって前記サブピクセル発光部に電流が流れない状態となること
   を含むＬＥＤディスプレイ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のＬＥＤディスプレイにおいて、
   第１サブピクセル発光部と第２サブピクセル発光部と第３サブピクセル発光部とを有し、
   前記第１サブピクセル発光部は、
   第１発光層を有し、
   前記第２サブピクセル発光部は、
   前記第１発光層と第２発光層とを有し、
   前記第３サブピクセル発光部は、
   前記第１発光層と前記第２発光層と第３発光層とを有すること
   を含むＬＥＤディスプレイ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＬＥＤディスプレイにおいて、
   前記発光素子は、
   ｎ電極を有し、
   前記ｎ電極は、
   前記第１部分発光部と前記第２部分発光部とで共通化されていること
   を含むＬＥＤディスプレイ。

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