日本电子维修技术 彩色液晶背光用发光二极管
彩色液晶背光用发光二极管
前言
发光二极管（LED）作为将电能变为光能的半导体元件在电子设备中得到广泛应用，与电灯的白光不同的是，这种光的颜色的特点是由半导体材料来决定的。
对于光和色的关系，牛顿的著作"光学"中作了论述"光线是没有颜色的，不过，光线具有能产生色感的性质"。人们知道，由于具备与光的三种基色"红、绿、蓝"相对应的三种锥体，因此就能产生色感。
到了上世纪90年代，使用Ⅲ族氮化物半导体的明亮的蓝色和纯绿色LED已产品化，实现了LED的全色显示器。Ⅲ族氮化物半导体最大的特点就是能够发出蓝、绿色的光。由于具有直接转移型的能带构造，其禁带涉及从1.9eV到6.2eV很宽的范围。
回顾一下研发史有两个重大的突破，因为代表性的Ⅲ族氮化物半导体GaN，处于生长温度中的氮的平衡气压很高，大量制作单结晶存在困难，单结晶的制备并不是*外延生长获得的。从结晶构造的相似性及对热的化学稳定性的观点来看，使用的基板主要是蓝宝石。不过。因为蓝宝石基板和GaN的晶格常数之差和热膨系数之差都很大，所以要获得平坦一致的优良的GaN结晶存在着困难。再者，显示p型传导性的结晶至今仍未实现。
第一个突破是1986年赤崎教授等用有机金属气相成长（MOVPE）法把AlN（氮化铝）低温堆积缓冲层引入到蓝宝石基板上，而成功地生长了质量极高的GaN结晶。还有，第二个突破是1989年赤崎教授用添加Mg（镁）的GaN电子束照射法制成p型半导体的同时，成功制成pn接合型蓝色LED。由于这些领先的研究成果，Ⅲ族氮化物半导体器件取得了飞跃的进步。
丰田合成自1986年起在赤崎教授的指导下，走在别的公司的前面，开始进行研发，成功地在蓝宝石基板上用AlN低温堆积缓冲层生长了高质量的GaInN/GaN结晶。
1995年10月，亮度2cd的散装高亮度蓝色LED实现了产品化。1997年4月，具有多重量子井型构造的亮度2.5cd蓝色LED，5cd绿色LED实现了产品化。现在其亮度达到蓝色3cd，绿色8cd及更高的亮度。
蓝色、绿色LED的市场年年在扩大，除了当初大型全色显示器为主流市场之外，也在扫描器光源、信号灯器具、汽车用品等方面能得到应用。最近，特别是作为便携机的液晶背光应用方面有所进展，市场会发展得很大。
本文介绍能够与这样的市场需求相适应而开发的彩色液晶背光用LED（多白光）的开发观念和特点。
市场趋势
由于作为彩色液晶用背光源，Ⅲ族氮化物系列LED开始引起人们的注意，日本的移动电话畅销而壮大。电子邮件、因特网的需求增加的同时，显示部分的多颜色化也快速发展，1999年，彩色液晶模块也已实现了产品化。（图1）。
移动电话的彩色液晶中，使用的是低电耗观点为主的、半透射反射型的STN。从相同的观点来看，背光源中，使用的是如图2所示发光频谱的白色LED。而个人数字助理（PDA）中，代表性的便携机使用的是与透明用途相符合的、各种形式的液晶显示器。重视像质的模块中，使用的是TFT透射型液晶和如图3所示的发光频谱的三个波长荧光灯的组合。
因此，便携机中用的显示器中，重视耗电少，薄型量轻的型式，重视高可视性、颜色重现性的型式等，与各种用途相适应，要了解各种显示器的正确使用方法。为此，同样也要了解背光源的使用方法。其选定的理由考虑到表1的基准点比较结果。
移动电话用白色LED在电耗小，小巧量轻方面是很优秀的，但是，可视性和颜色重现性方面就比较差。而荧光灯画面大，小型量轻方面有利，也不可一概而论，但作便携机用，要求耗电更少。
开发产品（多白色）
多白色（图4）是由红、绿、蓝组合而成的三波长型LED背光，这种型式以住已实现了产品化，而为彩色液晶背光专门设计的产品也不例外。便携机用小型彩色液晶方面，从可视性，颜色重现性提高的观点看，透射型TFT用及场序用三波长型的LED要开始进行研究。为适应这样的市场需求，对准携带性、可视性和颜色重现性为目的的，以兼有白色LED和荧光灯优点的发光器件为目标进行开发。
多白色是将两个红色、两个绿色、一个蓝色共五个LED安装在同一器件中。发白光时，各元件的负荷是均等的，为使发光效率达到最大，将红色的发热量控制到最低限度。也有防止由于温度变化而使亮度降低的目的。进一步说，邻近的元件配置对背光的内表面亮度和色度分布均一也有贡献。现在客户企望的是蓝色，用2个红色、1个绿色、2个蓝色的方法提供也是可能的。
三波长型产品尺寸、白色平衡的处理方法等课题很多，可以说是符合来源于光的三基色电子显示器原理。表2中图5和6对多白色的概况作了介绍。
今后的展望
作为彩色液晶用背光源，对三波长型LED的实用性研究还仅仅是开始，温度依赖性、驱动电路等待解决的课题还很多，本公司追求更加高的亮度、小型化，因而制订了不少计划。
结束语
由于用AlN缓冲层的结晶质量提高等划时代的研究成果，蓝色和纯绿色的LED已实现产品化，因光的三基色颜色一致，已开始广大充分发挥LED特点的市场。除了大型全色显示器外，也可以在便携机上使用，特别是作为液晶背光源会引人注目。
本文介绍了背光用LED的发展趋势及开发的产品（多白光），对Ⅲ族氮化物系列材料，作为许多研究人员以课题而提出的大有希望的材料，有了明确的认识。此外，还报导了紫外线、激光等的研究成果，我们准备向应用开发迈进。
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