GaN基半导体发光元件及其驱动方法、发光元件组件、发光设备和图像显示设备的制作方法

专利名称：GaN基半导体发光元件及其驱动方法、发光元件组件、发光设备和图像显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及GaN基半导体发光元件、包括GaN基半导体发光元件的发光元件组件和发光设备、GaN基半导体发光元件的驱动方法以及包括GaN基半导体发光元件的图像显示设备。
背景技术：
在包括由氮化镓(GaN)基化合物半导体构成的活性层的发光元件(GaN基半导体发光元件)中，可以通过改变混合晶体成分或活性层的厚度控制带隙能量来实现在从紫外到红外的广泛范围中的发光波长。发射多种颜色的GaN基半导体发光元件可在市面上获得且用于诸如图像显示设备、照明装置、试验设备和用于消毒的光源的多种应用中。另外，已经开发出发射蓝紫色光的半导体激光器和发光二极管(LED)并将其用作用于大容量光盘的写入或读取的检波器。
通常，GaN基半导体发光元件具有以下结构，其中按顺序层压n传导型的第一 GaN基化合物半导体层、活性层和p传导型的第二GaN基化合物半导体层。
在这样的GaN基半导体发光元件中，为了实现高发光效率，已经提出了与由阱层和势垒层构成的活性层有关的多种技术。相关技术中该技术的实例包括指定阱层数目的技术(例如，参见日本未
10审查专利申讳v厶开第10-261838号和第10-256657号)、指定阱层和势垒层的混合晶体成分的才支术(例如，参见日本未审查专利申讀-7>开第2000-261106号和第2000-091629号)以及^H殳置在具有不同发光波长的阱层之间的势垒层提供多量子势垒结构，从而控制多个发光峰的发射强度比的技术(例如，参见日本未审查专利申请公开第2002-368268号)。需注意的是，在这些专利申请中所^Hf的多量子阱结构中，，支定所有势垒层具有相同成分、相同厚度和相同结构。曰本未审查专利申请公开第2004-179428号公开了每个势垒层的成分不同的才支术。本专利申请描述了可以将空穴和电子有意地集中在位于靠近p侧包覆层的阱层上。另外，日本未审查专利申请公开第2004-087763号爿>开了在阱层和势垒层之间形成应变补偿层的冲支术。

发明内容
在上述专利申请中所公开的任意一个技术中，当增加施加给活性层的电流密度时，难以防止具有多量子阱结构的活性层中发光效率的降低。因此，强烈期望用于实现更高的发光效率的l支术。
期望提供具有用于实现高发光效率(高光学输出)的配置和结构的GaN基半导体发光元件、包括GaN基半导体发光元件的发光元件组件和发光设备、GaN基半导体发光元件的驱动方法以及包括GaN基半导体发光元件的图像显示设备。
根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件包括(A) n传导型的第一 GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和分离相邻阱层的势垒层的多量子阱结构的活性层；(C) p传导型的第二GaN基化合物半导体层；(D )电连4妄到第一 GaN基化合物半导体层的第一电极；以及(E)电连接到第二GaN基化合物半导体层的第二电极，其中构成活性层的势垒层中的至少一个由变化成分势垒层构成，且变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使变化成分
势垒层的第一区域(第一区域与在设置在较靠近第二 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和变化成分势垒层之间的边界相邻)中的带隙能量比变化成分势垒层的第二区域(第二区域与在设置在较靠近第一 GaN基4匕合物半导体层的一侧上的阱层和变化成分势垒层之间的边界相邻)中的带隙能量要低。
支撑部件上的才艮据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件。
根据本发明的实施方式的发光设备包括(a) GaN基半导体发
有与所发射的光的波长不同的波长的光的颜色转换材料，其中GaN基半导体发光元件由才艮据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件构成。
才艮据本发明实施方式的图像显示i殳备包括用于显示图4象的GaN基半导体发光元件，其中GaN基半导体发光元件由根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件构成。
在才艮据本发明实施方式的图 <象显示i殳备为彩色图像显示设备的情况下，该图像显示设备至少包括发射蓝光的第一发光元件、发射绿光的第二发光元件和发射红光的第三发光元件，且根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件可以构成第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件中的至少一个(一种)。
在以下描述中，根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元
件、根据本发明实施方式的发光设备中的GaN基半导体发光元件或才艮据本发明实施方式的图像显示设备中的GaN基半导体发光元件通常^皮称为"才艮据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件等"。
在根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件等中，变化成分势垒层的成分可以沿厚度方向阶梯式改变。在此情况下，变化成分势垒层的成分优选地沿厚度方向分两级改变，且当将i殳置在较靠近第一 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和变化成分势垒层之间的边界假定为基准时，成分沿厚度方向发生变化的位置to满足以下关系
0.01tB S t0 < 0.5tB,
且更优选地，
0.1t"t"0.5tB，
其中，tB表示变化成分势垒层的厚度。
可选地，在才艮据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件等中，变化成分势垒层的成分可以沿厚度方向连续变化。
在包括上述优选实施方式和配置的每个GaN基半导体发光元件等中，变化成分势垒层的第二区域的成分可以为GaN，变化成分势垒层的第一区域的成分可以为InzGa(1_z)N，且每个阱层的成分可以为InyGa(1-y)N (其中y > z )。在此情况下，值z不受限制，但是优选i也满足关系1 x l(T4 S z S 3 x 10—2。
可选地，在包括上述优选实施方式和配置的每个GaN基半导体发光元件等中，变化成分势垒层的第二区域的成分可以为AlGaN ， 变化成分势垒层的第 一 区域的成分可以为GaN或InzGa(1_z)N，且每个阱层的成分可以为InyGa(1-y)N (其中y > z )。同样在此情况下，值Z不受限制，^f旦是优选地满足关系1 X 10一4
X 10_2。
另外，在包括上述优选实施方式和配置的多种GaN基半导体发光元件等中的每一个中，例如，阱层的^:目为在6 15的范围中。在此情况下，变化成分势垒层的^t目优选地为势垒层总^:的1/2以上。另外，变化成分势垒层优选地占据较靠近GaN基化合物半导体
层的位置。
另夕卜，在包括多种上述优选实施方式和配置的每个GaN基半导体发光元件等中，施加给活性层的电流密度(工作电流密度)优选为50安培/cm2或上，更优选地为100安培/cm2或以上，且更优选;也为200安i咅/cm2或以上。
在包括多种上述优选实施方式和配置的每个GaN基半导体发光元件等中，活性层具有优选地在1 x l(T12 m2 ~ 1 x l(T8 m2的范围中、且更^f尤选;也在1 x 10—11 m2~ 1 x 10-91112的范围中的面积。
在包括多种上述优选实施方式和配置的每个GaN基半导体发光元件等中，GaN基半导体发光元件具有优选地在1 x 10—7 m ~ 1 x10_5m的范围中、且更优选地在1 x 10—6m~ 1 x 10—5 m的范围中的厚度。
另外，包括多种上述优选实施方式和配置的每个GaN基半导体发光元件等还可以包括(F)用于防止p型杂质扩散到活性层中的杂质扩散防止层，杂质扩散防止层由无掺杂的GaN基化合物半导体构成，以及(G)层压结构，杂质扩散防止层和层压结构以,人活性层侧开始的顺序被设置在活性层和第二 GaN基4b合物半导体层之间，其中层压结构包4舌至少一个层压单元，在其中以^v活性层侧
,掺杂的GaN基化合物半导体层。为了方便起见，将此结构称为"具有第一结构
的GaN基半导体发光元件"。
可选地，包括多种上述优选实施方式和配置的每个GaN基半导体发光元件等还可以包括(F)用于防止p型杂质扩散到活性层中的杂质扩散防止层，杂质扩散防止层由无掺杂的GaN基化合物半导体构成，以及(G) p传导型的第三GaN基化合物半导体层，杂质扩散防止层和第三GaN基化合物半导体层以从活性层侧开始的顺序被设置在活性层和第二 GaN基化合物半导体层之间，其中在第三GaN基化合物半导体层的较靠近第二 GaN基化合物半导体层的一侧上i殳置至少一个无掺杂的GaN基化合物半导体层。为了方i"更起见，将此结构称为"具有第二结构的GaN基半导体发光元件"。
在具有第一结构的GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的p传导型的GaN基化合物半导体层和无掺杂的GaN基化合物半导体层可以具有相同成分。在具有第二结构的GaN基半导体发光元件中，p传导型的第三GaN基化合物半导体层和第三GaN基化合物半导体层中设置的无掺杂的GaN基化合物半导体层可以具有相
同成分。
在具有第一结构的GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的无掺杂的GaN基化合物半导体层可以具有GaN基化合物半导体层，其成分含有铟。在具有第二结构的GaN基半导体发光元件中，第三GaN基化合物半导体层中所设置的无掺杂的GaN基化合物半导体层可以具有GaN基化合物半导体层，其成分含有铟。
可选地，在具有第一结构的GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的无4参杂的GaN基化合物半导体层可以具有三层结构，包括与构成层压单元的p传导型的GaN基化合物半导体层成分相同的第 一层、具有与第 一层相同的成分且还含有铟的第二层以及与第
15一层成分相同的第三层。在此情况下，构成层压单元的无掺杂的
GaN基化合物半导体层可以具有三层结构，包括由无掺杂的GaN构成的第一层、由无摻杂的InxGa(1_x)N (其中0<x^0.3 )构成的第二层和由无掺杂的GaN构成的第三层。另外，活性层可以包括InyGa(1_y)N层，其中满足关系x《y。
同时，在具有第二结构的GaN基半导体发光元件中，第三GaN基化合物半导体层中所设置的无掺杂的GaN基化合物半导体层可以具有三层结构，包括与p传导型的第三GaN基化合物半导体层成分相同的第 一层、具有与第 一层相同的成分且还含有铟的第二层和与第一层成分相同的第三层。在此情况下，第三GaN基化合物半导体层中所设置的无掺杂的GaN基化合物半导体层可以具有三层结构，包括由无4參杂的GaN构成的第一层、由无掺杂的InxGaG—X)N(其中0<x^0.3 )构成的第二层和由无掺杂的GaN构成的第三层。另外，活性层可以包括InyGao—力N层，其中满足关系xSy。
在包括上述优选实施方式和配置的具有第一结构的每个GaN基半导体发光元件中，层压结构优选地包括1 10个层压单元。在包括上述优选实施方式和配置的具有第二结构的每个GaN基半导体发光元件中，第三GaN基化合物半导体层优选地包4舌1 ~ 10个无掺杂的GaN基化合物半导体层。
另外，在包括上述优选实施方式和配置的具有第一结构的每个GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的p传导型的GaN基化合物半导体层具有优选地为1 x 1018/cm3 - 4 x 102G/cm3、且更优选地为1 x 1019/cm3~2 x 10,cm3的p型杂质浓度。在包括上述优选实施方式和配置的具有第二结构的每个GaN基半导体发光元件中，第三GaN基化合物半导体层具有优选地为1 x 1018/cm3 - 4 x 102Q/cm3、且更4尤选i也为1 x 1019/cm3 ~ 2 x 102Q/cm3的p型杂质浓度。另外，在包括上述优选实施方式和配置的具有第 一结构的每个
GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的p传导型的GaN基化合物半导体层可以具有两个原子层至50 nm的范围中的厚度，构成层压单元的无4参杂的GaN基化合物半导体层可以具有两个原子层至50 nm的范围中的厚度，且层压结构可以具有5 nm ~ 200 nm的范围中的厚度。在包括上述优选实施方式和配置的具有第二结构的每个GaN基半导体发光元件中，第三GaN基化合物半导体层中所i殳置的无4参杂的GaN基化合物半导体层可以具有两个原子层至50nm的范围中的厚度，且第三GaN基化合物半导体层可以具有5nm ~ 200 nm的范围中的厚度。
根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件的驱动方法包括以下步艰《，以优选地50安培/cm2以上、更优选地为100安培/cm2以上且更优选地为200安培/cm2以上的电流密度(工作电流密度)向包括上述多种优选实施方式和配置的具有第一或第二结构的GaN基半导体发光元件等(以下通称为才艮据本发明实施方式的发光元件等)中的4壬意一个的活性层施加电流。
GaN基半导体发光元件的工作电流密度是通过将工作电流值除以活性层的面积(4妄合区域的面积)而获得的值。即，可在市面上购得的GaN基半导体发光元件具有多种包装形式，且GaN基半导体发光元件的尺寸也才艮据应用或光量而变化。此外，例如，标准驱动电流(工作电流)4艮据GaN基半导体发光元件的尺寸而变化。因此，难以直接将电流对于发光元件特性的相关性进行彼此比较。因此，为了一^:化，在本发明中使用通过将驱动电流值除以活性层的面积(接合区域的面积)而获得的上述工作电流密度(单位安培/cm2)来代替驱动电流本身的值。
可以通过按顺序形成第一 GaN基化合物半导体层、活性层、杂质扩散防止层、层压结构和第二GaN基化合物半导体层来制造具有第一结构的GaN基半导体发光元件，其中构成层压单元的无掺杂 的GaN基化合物半导体层中成分含有铟的GaN基化合物半导体层 是在比形成活性层中成分含有铟的GaN基化合物半导体层的温度 更高的温度下形成的。
可以通过按顺序形成第一 GaN基化合物半导体层、活性层、 杂质扩散防止层、第三GaN基化合物半导体层和第二 GaN基化合 物半导体层来制造具有第二结构的GaN基半导体发光元件，其中第 三GaN基化合物半导体层中所i殳置的无掺杂的GaN基化合物半导 体层中成分含有铟的GaN基化合物半导体层是在比形成活性层中 成分含有铟的GaN基化合物半导体层的温度更高的温度下形成的。
在根据本发明实施方式的发光元件等中，第一 GaN基化合物 半导体层、第二 GaN基化合物半导体层和杂质扩散防止层的实例包 括GaN层、AlGaN层、InGaN层和AlInGaN层。另外，这些化合 物半导体层可以根据需要含有硼(B)原子、铊(T1)原子、砷(As) 原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。
在才艮据本发明实施方式的发光元件等中，在发光元件形成基斗反 上按顺序形成多种GaN基化合物半导体层。发光元件形成基板的实 例包括蓝宝石基板、GaAs基板、GaN基板、SiC基板、氧化铝基 板、ZnS基板、ZnO基板、A1N基板、LiMgO基板、LiGa02基板、 MgAb04基^反、InP基^反、Si基冲反和在这些基4反的表面(主表面) 上设置底层和緩冲层的基板。在根据本发明实施方式的发光元件等 中，发光元件形成基^反可以^隊留在成品中，或者可以最后将其除去。 在后一种情况下，才艮据本发明实施方式的发光元件等祐 没置在支撑 部件上。
才艮据本发明实施方式的发光元件组件中支撑部件的实例包括 用作发光元件形成基板的基板、玻璃基板、金属基板、金属片、合金基板、合金片、陶瓷基板、陶瓷片、半导体基板、塑料基板、塑
料片和塑料膜。塑料膜的实例包括聚苯醚砜(PES )膜、聚萘二曱 酸乙二醇酯(PEN)膜、聚酰亚胺(PI)膜和聚对苯二曱酸乙二醇 酯(PET)膜。支撑部件的实例还包括通过将任何上述膜粘合到 玻璃基板而制备的基板；以及在上面具有聚酰亚胺树脂层、丙烯酸 树脂层、聚苯乙烯树脂层或石圭橡月交层的玻璃基板。可以用金属基板 或塑料基板来取代玻璃基板。或者，支撑部件可以为其中在任何上 述基板的表面上设置绝缘膜的基板。绝缘膜的材料的实例包括诸如 氧化硅材料、氮化硅(SiNY)和金属氧化物高介电性绝缘膜的无机 绝缘材料；以及诸如聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)、聚乙烯基苯酚
(polyvinylphenol， PVP )和聚乙烯醇(PVA )的有机绝缘材料。氧 化硅材料的实例包括氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)、旋涂玻璃
(SOG)和低介电常数的SiOx材料(诸如聚芳基乙醚、环状全氟 代碳聚合物、苯并环丁烯、环状碳氟树脂、聚四氟乙烯、氟代芳基 乙醚、氟代聚酰亚胺、非晶碳和有机SOG)。形成绝缘膜的方法的 实例包括PVD法、CVD法、旋涂法、印刷法、涂布法、浸渍法、 《寿造法和喷溅法。
在包括多种上述优选实施方式和配置的发光设备(以下通称为 "根据本发明实施方式的发光设备")的每一个中，从GaN基半导 体发光元件发射的光的实例包括可见光、紫外光和可见光与紫外光
的组合。
在根据本发明实施方式的发光设备中，从GaN基半导体发光 元件发射的光可以为蓝光，且从颜色转换材料发射的光可以为从由 黄光、绿光和红光构成的组中选出的至少一种。可以将从GaN基半 导体发光元件发射的光和从颜色转换材料发射的光(例如，黄色； 红色和绿色；黄色和红色；绿色、黄色和红色)混合以发射白光。色转换材料的实例包括发射红光的荧光粒子。其具体实例包括
(ME:Eu)S(其中，"ME"表示从由Ca、 Sr和Ba构成的组中选出的 至少一种原子；以下相同)、(M:Sm)x(Si,Al)12(0，N)16 (其中，"M" 表示从由Li、Mg和Ca构成的组中选出的至少一种原子；以下相同)、 ME2Si5N8:Eu、 (Ca:Eu)SiN2和(Ca:Eu)AlSiN3。由从GaN基半导体发 光元件发射的蓝光激励并发射绿光的颜色转换材料的实例包括发 射绿光的荧光粒子。其具体实例包括(ME:Eu)Ga2S4 、 (M:RE)x(Si,Al)12(0,N)16 (其中，"RE ，，表示Tb或 Yb )、 (M:Tb)x(Si,Al)2(0,N)6、 (M:Yb)x(Si，Al)12(0,N)16 和
Si6—zAlzOzN8—z:Eu。另外，由从GaN基半导体发光元件发射的蓝光 激励并发射黄光的颜色转换材料的实例包括发射黄光的荧光粒子。 其具体实例包括钇铝柘榴石(YAG)基荧光粒子。颜色转换材料可 以单独进行使用或者以两种或多种材料的组合进行使用。此外，通 过将两种或多种颜色转换材料作为混合物使用，可以从颜色转换材 料的混合物发射具有除黄色、绿色和红色之外颜色的光。具体地， 发光元件可以具有其中发射青色光的结构。在此情况下，可以使用 发射绿光的荧光粒子(诸如LaP04:Ce，Tb、 BaMgAl10O17:Eu,Mn、 Zn2Si04:Mn 、 MgAlu019:Ce，Tb 、 Y2Si05:Ce，Tb 或 MgAl 019:CE，Tb,Mn ) 和发射蓝光的荧光粒子(诸如 BaMgAl10O17:Eu、 BaMg2Al16027:Eu、 Sr2P207:Eu、 Sr5(P04)3Cl:Eu、 (Sr，Ca,Ba,Mg)5(P04)3Cl:Eu、 CaW04或CaW04:Pb )的混合物。
由从GaN基半导体发光元件发射的紫外光激励并发射红光的 颜色转换材料的实例包括发射红光的荧光粒子。其具体实例包括 Y203:Eu 、 YV04:Eu 、 Y(P,V)04:Eu 、 3.5MgO'0.5MgF2'Ge2:Mn 、 CaSi03:Pb,Mn、 Mg6AsOn:Mn、 (Sr，Mg)3(P04)3:Sn 、 La202S:Eu和 Y202S:Eu。由从GaN基半导体发光元件发射的紫外光激励且发射
包括 LaP04:Ce，Tb 、BaMgAl1()017:Eu,Mn 、Zn2Si04:Mn 、
20MgAl 019:Ce，Tb 、 Y2Si05:Ce,Tb 、 MgAlu019:CE,Tb，Mn 和 Si6_zAlzOzN8—z:Eu。另夕卜，由乂人GaN基半导体发光元件发射的紫外 光激励并发射蓝光的颜色转换材料的实例包括发射蓝光的荧光粒 子。其具体实例包4舌BaMgAl1()017:Eu、 BaMg2Al16027:Eu、 Sr2P207:Eu、 Sr5(P04)3Cl:Eu、 (Sr,Ca,Ba,Mg)5(P04)3Cl:Eu、 CaW04和CaW04:Pb。
颜色转换材料的实例包括发射黄光的焚光粒子。其具体实例包括 YAG基焚光粒子。颜色转换材料可以单独进行4吏用或者以两种或多 种材料的组合进行使用。此外，通过将两种或多种颜色转换材料作 为混合物使用，可以从颜色转换材料的混合物发射具有除黄色、绿 色和红色之外颜色的光。具体地，发光元件可以具有其中发射青色 光的结构。在此情况下，可以使用发射绿光的荧光粒子和发射蓝光 的荧光粒子的混合物。
颜色转换材料并不限于荧光粒子。颜色转换材料的其他实例包 4舌由具有量子阱结构的间4妄3夭迁型(indirect transition-type )石圭材剩-构成的发光颗粒，量子阱结构诸如为二维量子阱结构、 一维量子阱 结构(量子线)或零维量子阱结构(量子点)，其中将载波函数定 域化(localize)以^吏得可以将载波有效地转换为作为直^妾;沃迁型材 料的光，从而利用量子效应。还已知添加到半导体材料的稀土原子 通过壳内跃迁来剧烈发光，且还可以使用应用此技术的发光颗粒。
包括上述多种优选实施方式和配置的图像显示设备(以下通称 为"根据本发明实施方式的图像显示设备")的实例包括具有下述 配置和结构的图l象显示"i殳备。除非另有i兌明，否则可以4艮据图〗象显 示设备的规格来确定构成图像显示设备或发光元件板的GaN基半 导体发光元件的数目。此外，还可以根据图像显示设备的规格设置 光阀。(1 )具有第一结构的图像显示设备
无源矩阵型或有源矩阵型、直视型图像显示设备，包括(OC)发光
元件板，具有排列成二维矩阵的GaN基半导体发光元件，其中，控 制每个GaN基半导体发光元件的发光/不发光状态，且直接视觉观 察每个GaN基半导体发光元件的发光状态以显示图像。
(2) 具有第二结构的图像显示设备
无源矩阵型或有源矩阵型、投影型图像显示设备，包括(a)发光 元件板具有排列成二维矩阵的GaN基半导体发光元件，其中，控制 每个GaN基半导体发光元件的发光/不发光状态，且在屏幕上4丸行 投影以显示图^象。
(3) 具有第三结构的图像显示设备
(直视型或投影型)彩色图像显示设备，包括(a)发射红光元件 板，具有发射红光的半导体发光元件(以下也称为"发射红光半导 体发光元件，，)(例如，AlGalnP基半导体发光元件或GaN基半导体 发光元件；以下相同)，发光元件排列成二维矩阵；((3)发射绿光元 件板，具有发射绿光的GaN基半导体发光元件(以下也称为发射绿 光的GaN基半导体发光元件)，发光元件排列成二维矩阵；(力发射 蓝光元件板，具有发射蓝光的GaN基半导体发光元件(以下也称为 "发射蓝光的GaN基半导体发光元件")，发光元件排列成二维矩 阵；和(5)装置(例如，二向棱4竟；以下相同)，用于将乂人发射红光 元件板、发射绿光元件板和发射蓝光元件板的每一个发射的光组合 为单一光路，其中控制发射红光半导体发光元件、发射绿光的GaN 基半导体发光元件和发射蓝光的GaN基半导体发光元件的每一个 的发光/不发光状态。(4) 具有第四结构的图像显示设备
(直视型或投影型)图像显示设备，包括(a)GaN基半导体发 光元件；和(J3)光透射控制装置(例如，液晶显示装置、数字微镜装 置(DMD)或硅基液晶(LCOS);以下相同)，其为控制从GaN基 半导体发光元件发射的光的透射/不透射的光阀，其中通过光透射控 制装置来控制从GaN基半导体发光元件发射的光的透射/不透射以 显示图像。
可以根据图像显示设备的规格来确定GaN基半导体发光元件 的#:目，且该凄t目可以为一个或两个以上。用于4夺乂人GaN基半导体 发光元件发射的光引导到光透射控制装置的装置(即，导光部件) 的实例包括光学引导部件、微透镜阵列、反射镜、反射板和聚光透镜。
(5) 具有第五结构的图像显示设备
(直视型或投影型)图像显示设备，包括(a)发光元件板，具有 排列成二维矩阵的GaN基半导体发光元件；和(P)光透射控制装置 (光阀)，其控制从每个GaN基半导体发光元件发射的光的透射/ 不透射，其中通过光透射控制装置来控制从每个GaN基半导体发光 元件发射的光的透射/不透射以显示图像。
(6) 具有第六结构的图像显示设备
(直视型或投影型)彩色图像显示设备，包括(oc)发射红光元件 板，具有排列成二维矩阵的发射红光半导体发光元件，和红光透射 控制装置(光阀)，控制从发射红光元件板发射的光的透射/不透射； (卩)发射绿光元件板，具有排列成二维矩阵的发射绿光的GaN基半 导体发光元件，和绿光透射控制装置(光阀)，控制从发射绿光元件板发射的光的透射/不透射；(力发射蓝光元件板，具有排列成二维 矩阵的发射蓝光的GaN基半导体发光元件，和蓝光透射控制装置 (光阀)，控制从发射蓝光元件板发射的光的透射/不透射；以及(5) 装置，用于将从红光透射控制装置、绿光透射控制装置和蓝光透射 控制装置的每一个发射的光组合为单一光路，其中通过相应的光透 射控制装置来控制从发光元件板发射的光的透射/不透射以显示图 像。
(7) 具有第七结构的图像显示设备
(直视型或投影型)场序制彩色图像显示设备，包括(oc)发射红 光半导体发光元件；(P)发射绿光的GaN基半导体发光元件；(力发 射蓝光的GaN基半导体发光元件；(S)装置，用于将从发射红光半 导体发光元件、发射绿光的GaN基半导体发光元件和发射蓝光的 GaN基半导体发光元件的每一个发射的光组合为单一光路；以及(s) 光透射控制装置(光阀)，控制从用于将光组合成所述光路的装置 发射的光的透射/不透射，其中通过光透射控制装置来控制从每个发 光元件发射的光的透射/不透射以显示图 <象。
(8) 具有第八结构的图像显示设备
(直视型或投影型)场序制彩色图像显示设备，包括(a)发射红 光元件板，具有排列成二维矩阵的发射红光半导体发光元件；(P) 发射绿光元件板，具有排列成二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体 发光元件；(力发射蓝光元件板，具有排列成二维矩阵的发射蓝光的 GaN基半导体发光元件；(5)装置，用于将从发射红光元件板、发射 绿光元件板和发射蓝光元件板的每一个发射的光组合为单一光路； 以及(s)光透射控制装置(光阀)，控制乂人用于将光组合成所述光鴻^ 的装置发射的光的透射/不透射，其中通过光透射控制装置来控制从 每个发光元件发射的光的透射/不透射以显示图4象。(9) 具有第九结构的图像显示设备
无源矩阵型或有源矩阵型、直视型图像显示设备，包括第一发 光元件、第二发光元件和第三发光元件，其中，控制第一发光元件、 第二发光元件和第三发光元件的每一个的发光/不发光状态，且直接 视觉观察每个发光元件的发光状态以显示图像。
(10) 具有第十结构的图像显示设备
无源矩阵型或有源矩阵型、投影型彩色图像显示设备，包括第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件，其中，控制第一发光 元件、第二发光元件和第三发光元件的每一个的发光/不发光状态， 且在屏幕上执行投影以显示图像。
(11) 具有第十一结构的图像显示设备
(直视型或投影型)场序制彩色图像显示设备，包括排列成二 维矩阵的发光元件单元；和控制/人每个发光元件单元发射的光的透 射/不透射的光透射控制装置(光阀)，其中通过分时来控制每一个 发光元件单元中的第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件的 每一个的发光/不发光状态，并通过光透射控制装置来控制从第一发 光元件、第二发光元件和第三发光元件的每一个发射的光的透射/ 不透射，以显示图4象。
在制造才艮据本发明实施方式的发光元件等的过程中，为了防止 对活性层的热损伤，优选地，满足关系TMAX < 1,350-0.75X，且更 优选地，满足关系TMAX< 1,250-0.75X,其中Tmax(。C)是在形成活 性层之后形成的每个GaN基化合物半导体层的晶体生长中的最大 生长温度，且X是活性层的发光波长。形成每个GaN基化合物半导 体层的方法的实例包括有机金属化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和其中的卣素有助于输送或反应的氬化物气相外延 (HVPE )。
MOCVD中所使用的有机镓源气体的实例包括三曱基镓 (TMG)气体和三乙基镓(TEG)气体。MOCVD中所使用的氮源 气体的实例包括氨气和联氨气。例如，在n传导型的GaN基化合物 半导体层的形成过程中，可以添加硅(Si)作为n型杂质(n型掺
添加镁(Mg )作为p型杂质(p型掺杂剂)。在GaN基化合物半导 体层含有铝(Al)或铟(In)作为组成原子的情况下，可以4吏用三 曱基铝(TMA)气体作为Al源，且可以使用三曱基铟(TMI)气 体作为In源。另夕卜，可以使用甲硅烷气体(SiH4气体)作为Si源， 且可以使用环戊二烯基4美气体、曱基环戊二烯基4美气体或双(环戊 二烯基)镁(Cp2Mg)作为镁源。另外，除了Si之外，n型杂质(n 型4参杂剂)的实例包4舌Ge、 Se、 Sn、 C和Ti。除了Mg之外，p型 杂质(p型纟参杂剂)的实例包4舌Zn、 Cd、 Be、 Ca、 Ba和O。
电连接到p传导型的第二 GaN基化合物半导体层的第二电极 (或设置在接触层上的第二电极)优选地具有含有选自由钯(Pd )、 铂(Pt)、镍(Ni)、铝(Al)、钬(Ti)、金(Au)和银(Ag)组成 的组中的至少一种金属的单层结构或多层结构。或者，可以4吏用诸 如氧化铟锡(ITO)的透明传导材料。其中，优选地/使用可以高效 地反射光的4艮(Ag)、 Ag/Ni或Ag/Ni/Pt。另一方面，电连^妾到n 传导型的第一 GaN基化合物半导体层的第一电极优选地具有含有 选自由金(Au )、银(Ag )、 4巴(Pd )、铝(Al )、钬(Ti )、钨(W )、 铜(Cu)、《辛(Zn)、 4易(Sn)和4因(In)纟且成的纟且中的至少一种金 属的单层结构或多层结构。结构的实例包括Ti/Au 、 Ti/Al和Ti/Pt/Au 。 可以通过诸如真空沉积或'减射的物理气相沉积(PVD)来形成第一 电极和第二电极。第 一 电极电连接到第一 GaN基化合物半导体层。
26在此情况下，可以将第一电相二没置在第一GaN基化合物半导体层上 或者连接到第一 GaN基化合物半导体层，其间具有导电材料层或导 电发光元件形成基板。第二电极电连接到第二 GaN基化合物半导体 层。在此情况下，类似地，可以将第二电极设置在第二GaN基化合 物半导体层上或者连接到第二 GaN基化合物半导体层，其间具有导 电材料层。
在第一电极和第二电极的每一个上设置衬垫电极，以建立与外 部电极或电路的电连接。衬垫电极优选地具有含有选自由钬(Ti )、 铝(Al)、鉑(Pt)、金(Au)和镍(Ni)组成的组中的至少一种金 属的单层结构或多层结构。衬垫电极可以具有由Ti/Pt/Au或Ti/Au 构成的多层结构。
在本发明实施方式中，可以通过控制驱动电流的脉沖宽度、驱 动电流的脉冲密度或通过驱动电流的脉冲宽度和脉冲密度的组合 来控制从GaN基半导体发光元件发射的光量(亮度)。除此之外， 可以通过驱动电流的峰电流值来控制发光量。这是因为驱动电流的 峰电流值的改变对GaN基半导体发光元件的发光波长的影响较小。
具体地，例如，可以如下控制从GaN基半导体发光元件发射 的光量(明度或亮度)。在GaN基半导体发光元件中，Iq表示用于 获得某一发光波长x。的驱动电流的峰电流值，Po表示驱动电流的脉 沖宽度，且Top表示GaN基半导体发光元件等的一个工作周期或在 根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件的驱动方法中的一 个工作周期。在此情况下，(1)可以通过控制(调整)驱动电流的 峰电流值I。来控制从GaN基半导体发光元件发射的光量(亮度)； 且(2)可以通过控制驱动电流的力永冲宽度Po来控制从GaN基半导 体发光元件发射的光量(明度或亮度)(驱动电流的脉冲宽度控 制)；和/或(3 )可以通过控制在GaN基半导体发光元件的一个工 作周期TOT中具有脉沖宽度P。的脉沖数目(脉沖密度)来控制从GaN基半导体发光元件发射的光量(明度或亮度)(驱动电流的脉
冲密度控制)。
可以通过用于GaN基半导体发光元件的驱动电路来实现上述 从GaN基半导体发光元件发射的光量的控制，驱动电路包括(a) 脉沖驱动电流供应单元，向GaN基半导体发光元件供应脉沖驱动电 流，(b)脉冲驱动电流设置单元，设置驱动电流的脉冲宽度和脉冲 密度，以及(c)设置峰电流值的单元。
包^舌上述优选实施方式和配置的每个发光元^f牛可以包4舌面向 上的结构(即，在活性层中产生的光从第二 GaN基化合物半导体层 发射的结构)或倒装结构(即，在活性层中产生的光从第一 GaN基 化合物半导体层发射的结构)。另外，根据本发明实施方式的发光 元件等可以具有例如壳型结构或表面安装结构。
GaN基半导体发光元件的具体实例包括发光二才及管(LED)和 半导体激光器(LD )。只要GaN基化合物半导体层的多层结构具有 发光二极管结构或激光器结构，那么GaN基半导体发光元件的结构 和配置就不受特别限制。另外，除了上述包括GaN基半导体发光元 件和颜色转换材料的发光设备和(直视型或投影型)图像显示设备
面光源装置(背光)；包括彩色液晶显示装置组件的液晶显示装置 組件；用于可变色彩照明的光源；显示器；i者如汽车、电气列车、 船和4元空器的交通工具中的灯具和发光体(例如，前灯、尾灯、高 处安装的停车灯、小灯、转向信号灯、雾灯、内饰灯、仪表盘灯、 在各种按钮中提供的光源、目的地灯、应急灯和紧急出口导向灯)； 建筑物中的多种灯具和发光体(例如，室外灯、室内灯、照明装备、 应急灯和紧急出口导向灯)；街灯；交通信号、广告显示器、机器 和设备中的多种指示灯具；隧道、地道等中的照明装备和照明部； 诸如生物显微镜的各种观察装置中的特殊照明；使用灯的消毒器；
28与光催化剂组合的除臭消毒器；用于摄影和半导体光刻的曝光设 备；以及调节光以通过空间、光纤或波导来传输信息的装置。
在将根据本发明实施方式的发光元件等应用到表面光源装置 的情况下，如上所述，光源包括发射蓝光的第一发光元件、发射绿 光的第二发光元件和发射红光的第三发光元件，且才艮据本发明实施 方式的发光元件等可以构成第一发光元件、第二发光元件和第三发 光元件中的至少一个(一种)。然而，光源的结构并不限于此。表 面光源装置中的光源可以由才艮据本发明实施方式的一个或多个发 光设备构成。此外，第一发光元件的凄t目、第二发光元件的tt目和 第三发光元件的凄t目中的每一个可以为一个或两个以上。表面光源 装置可以是选自直接型表面光源装置(例如，在日本未审查实用新 型注册申请/〉开第63-187120号或日本未审查专利申"i青^^开第 2002-277870号中公开)和边缘光型(也称为"侧光型")表面光源 装置(例如，在日本未审查专利申请公开第2002-131552号中7>开) 的两种表面光源装置(背光)之一。GaN基半导体发光元件的数目 基本上可以为任意的，且可以根据表面光源装置的规格来确定。第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件被配置为面对液晶显示 装置，且将漫射板、包括漫射片、棱镜片和偏光转换片的光学功能 片组以及反射板设置在液晶显示装置和第 一发光元件、第二发光元 件和第三发光元件的每一个之间。
在现有技术中的GaN基半导体发光元件中，由于每个势垒层 的成分恒定，所以将从p传导型的第二 GaN基化合物半导体层向构 成活性层的阱层注入的空穴在作为 一个整体的活性层中^f皮不均匀 地分布，具体地^兌，密集地分布在第二GaN基化合物半导体层侧上。 相反，才艮据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件等包括变化成 分势垒层。变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使得变化成 分势垒层的第一区域(笫一区域与在设置在较靠近第二 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和变化成分势垒层之间的边界相邻)中 的带隙能量比变化成分势垒层的第二区域(第二区域与在设置在较
靠近第一 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和变化成分势垒 层之间的边界相邻)中的带隙能量低。因此，可以在不改变从n传 导型的第一 GaN基化合物半导体层向构成活性层的阱层注入的电 子的分布的情况下，减少空穴(空穴是从p传导型的第二GaN基化 合物半导体层注入到构成活性层的阱层)在作为一个整体的活性层
中分布的不均匀。因此，与现有技术中的GaN基半导体发光元件相 比，电子和空穴#1重新组合的区域在活性层上扩展。因此，可以实 现具有高发光效率(高光学输出)的GaN基半导体发光元件，且可 以通过防止高电流密度下的发光效率的降低来解决具有长波长的 光发射的发光效率降低的问题。此外，活性层中可以发射光的区域 扩展，因此可以实现高电流密度下的亮度饱和度的降低和波长移动 量的减少。
另外，具有第一结构或第二结构的GaN基半导体发光元件包 括层压结构(包括至少一个层压了 p传导型的GaN基化合物半导体 层和无摻杂的GaN基化合物半导体层的层压单元)，或者包括其上 在较靠近第二 GaN基化合物半导体层的一侧上设置至少一个无掺 杂的GaN基化合物半导体层的第三GaN基化合物半导体层。因此， 可以实现GaN基半导体发光元件的更高的发光效率。


图1A是实施例1的GaN基半导体发光元件的示意性局部截面
图1B包括示出了构成实施例1的GaN基半导体发光元件的活 性层的阱层和势垒层的层压状态的示图和示出了阱层和势垒层中 铟(In)的比例的示图；图2包括示出了构成实施例2的GaN基半导体发光元件的活 性层的阱层和势垒层的层压状态的示图和示出了阱层和势垒层中 铟(In)的比例的示图3是示出了实施例1和比较例1的GaN基半导体发光元件 的每一个的工作电流密度(安:t咅/cm2)和光学llr出(|UW)之间的关 系的示图4是示出了实施例1和比较例1的GaN基半导体发光元件 中当工作电流密度从60安培/cm2变为300安培/cm2时发光峰值波 长的移动量的结果的示图5是在GaN基半导体发光元件的特征评价期间GaN基半导 体发光元件的示意图6A是实施例4的GaN基半导体发光元件的示意性局部截面
图6B是示出了实施例4的GaN基半导体发光元件中第一 GaN 基化合物半导体层、活性层、层压结构(第三GaN基化合物半导体 层)和第二GaN基化合物半导体层等的结构的示图7是示出了实施例5的GaN基半导体发光元件中第一 GaN 基化合物半导体层、活性层、层压结构(第三GaN基化合物半导体 层)和第二GaN基化合物半导体层等的结构的示图8是实施例6的发光元件组件的示意性局部截面图9A和图9B是说明了实施例6的发光元件组件的制造方法 的GaN基半导体发光元件等的示意性截面图；图IOA和图IOB是在实施例6的发光元件组件的制造方法中 在执行了图9B所示的步骤之后GaN基半导体发光元件等的示意性
截面图IIA和图11B是在实施例6的发光元件组件的制造方法中在 执行了图IOB所示的步骤之后GaN基半导体发光元件等的示意性 截面图12A和图12B是在实施例6的发光元件组件的制造方法中 在执行了图11B所示的步骤之后GaN基半导体发光元件等的示意 性截面图13A和图13B是在实施例6的发光元件组件的制造方法中 在执行了图12B所示的步骤之后GaN基半导体发光元件等的示意
性截面图14A是实施例6中的无源矩阵型、直视型图像显示设备(具 有第一结构A的图像显示设备)的电路图14B是具有排列成二维矩阵的GaN基半导体发光元件的发 光it/H4反的示意性截面图15是实施例6中的有源矩阵型、直视型图像显示设备(具 有第一结构B的图像显示设备)的电路图16是包括排列成二维矩阵的实施例6或实施例7中的GaN 基半导体发光元件的发光元件板的投影型图像显示设备(具有第二 结构的图像显示设备)的示意图；图17是包括实施例6中的发射红光元件板、发射绿光元件才反、 发射蓝光元件板的投影型彩色图像显示设备(具有第三结构的图像 显示设备)的示意图18是包4舌实施例6中的GaN基半导体发光元件和光透射控 制装置的投影型图像显示设备(具有第四结构的图像显示设备)的 示意图19是包括实施例6中的三组GaN基半导体发光元件和三组 光透射控制装置的投影型彩色图像显示设备(具有第四结构的图像 显示设备)的示意图20是包括实施例6中的发光元件板和光透射控制装置的投 影型图像显示设备(具有第五结构的图像显示设备)的示意图21是包括实施例6中的三组GaN基半导体发光元件和三组 光透射控制装置的投影型彩色图像显示设备(具有第六结构的图像 显示设备)的示意图22是包括实施例6中的三组GaN基半导体发光元件和光透 射控制装置的投影型彩色图像显示设备(具有第七结构的图像显示 设备)的示意图23是包4舌实施例6中的三组发光元件才反和光透射控制装置 的投影型彩色图像显示设备(具有第八结构的图像显示设备)的示
意图24是实施例7中的有源矩阵型、直视型彩色图像显示设备 (具有第九或第十结构的图像显示设备)的电路33图25A是示出了实施例9的表面光源装置中的发光元件的排列 的示意图25B是表面光源装置和彩色液晶显示装置组件的示意性局 部截面图26是彩色液晶显示装置的示意性局部截面图；以及 图27是实施例10的彩色液晶显示装置组件的示意图。
具体实施例方式
将参考附图使用实施例来描述本发明。
实施例1
实施例1是涉及根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元 件和根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件的驱动方法。图 1A是实施例1的GaN基半导体发光元件的示意性局部截面图。图 1B示出了构成活性层的阱层和势垒层的层压状态以及阱层和势垒 层中铟(In)的比例。
实施例1的GaN基半导体发光元件1包括(A) n传导型的第 一GaN基化合物半导体层21, (B)具有包4舌阱层31和分离相邻阱 层31的势垒层的多量子阱结构的活性层30， (C) p传导型的第二 GaN基化合物半导体层22, (D)电连接到第一 GaN基化合物半导 体层21的第一电极24和(E)电连接到第二GaN基化合物半导体 层22的第二电才及25。
在GaN基半导体发光元件1中，构成活性层30的势垒层中的 至少一个由变化成分势垒层33构成。变化成分势垒层33的成分沿其厚度方向变化以使得变化成分势垒层33的第一区域33A (第一 区域33A与在设置在较靠近第二 GaN基化合物半导体层22的一侧 上的阱层31和变化成分势垒层33之间的边界相邻)中的带隙能量 比变化成分势垒层33的第二区域33B (第二区域33B与在设置在 较靠近第一 GaN基化合物半导体层21的一侧上的阱层31和变化成 分势垒层33之间的边界相邻)中的带隙能量要低。具体地，在实 施例1中，变化成分势垒层33的成分可以沿厚度方向阶梯式改变。 更具体;也，变4匕成分势垒层33的成分沿厚度方向分两级改变。当 将设置在较靠近第一 GaN基化合物半导体层21的一侧上的阱层31 和变化成分势垒层33之间的边界假定为基准时，成分沿厚度方向 发生变化的位置to满足以下关系
0.01tB S t0 S 0.5tB，
其中，tB表示变化成分势垒层33的厚度。更具体地，满足以 下关系
tB = 15 nm
t0 = 5 nm (= tB/3)
变化成分势垒层33的成分沿厚度方向的变化的级数并不限于 两个。或者，变化成分势垒层33的成分可以分三级或更多级变化。
变化成分势垒层33的第二区域33B (第二区域33B与设置在 较靠近第一 GaN基化合物半导体层21的一侧上的阱层31和变化成 分势垒层33之间的边界相邻)的成分为GaN。另一方面，变化成 分势垒层33的第一区域33A (第一区域33A与在设置在较靠近第 二 GaN基化合物半导体层22的一侧上的阱层31和变化成分势垒层 33之间的边界相邻)的成分为InzGa(1-z)N。另外，每个阱层31的成分为InyGa(1-y)N(其中y〉z)。在实施例1中，y为0.2且z为0.01。 通过添加铟，带隙能量变得比不添加铟的情况下的带隙能量要低。
在实施例1中，阱层31的数目为9，且势垒层的总数目为8。 变化成分势垒层33的数目为势垒层的总数目的1/2以上。更具体地， 变化成分势垒层33的数目为4。另外，这些变化成分势垒层33占 据较靠近第二 GaN基化合物半导体层22的位置。由恒定成分势垒 层32来表示除变化成分势垒层33之外的势垒层。每个恒定成分势 垒层32的成分为GaN，且其厚度为15 nm。
第一 GaN基化合物半导体层21由n传导型的掺杂Si的GaN (GaN:Si)构成，且第二 GaN基化合物半导体层22由p传导型的 掺杂Mg的GaN (GaN:Mg)构成。另外，如上所述，每个阱层31 由Ino.2Gao.8N构成且具有3 nm的厚度。活性层30具有4 x 10—10 m2 的面积，且GaN基半导体发光元件1具有5 x l(T6 m的厚度。如图 1A所示，GaN基半导体发光元件1包i舌发光元件形成基纟反10和底 层ll，底层11包括緩冲层和设置在緩沖层之上的无掺杂的GaN层。
在实施例1的GaN基半导体发光元件1中，向活性层30施加 具有50安培/cm2以上(优选地，100安培/cm2以上，且更优选地， 200安i咅/cm2以上)的电流密度(工作电流密度)的电流。
现在将描述实施例1的GaN基半导体发光元件的制造方法。
步骤-100
首先，将主表面为C平面的蓝宝石基4反用作发光元件形成基板 10。在由氢气构成的载气中在1,050°C的基板温度下将发光元件形 成基板10清洁10分钟，且随后将基板温度降到500°C。通过有机 金属化学气相沉积(MOCVD)的晶体生长在发光元件形成基并反10上形成由低温GaN构成的厚度为30 nm的緩冲层，在此期间，在 供应用作氮源的氨气的同时供应用作镓源的三甲基镓(TMG )气体。 在晶体生长之后，暂时停止TMG气体的供应。随后，将基板温度 增加到1，020°C，且随后再次开始TMG气体的供应。因此，在緩冲 层上通过晶体生长形成具有1 pm的厚度的无掺杂GaN层。因此， 形成底层ll。随后，开始供应用作硅源的曱硅烷气体(SiH4气体)。 由此，通过晶体生长在构成底层11的无掺杂GaN层上形成具有3 ium的厚度的由4参杂Si的GaN ( GaN:Si)构成的n传导型的第一 GaN基化合物半导体层21。 4参杂浓度约为5 x 1018/cm3。
步骤-110
随后，暂时停止TMG气体和SiH4气体的供应，将载气从氢气 切换为氮气，且将基板温度降到685。C。将三乙基镓(TEG)气体 用作Ga源，且将三曱基铟(TMI)气体用作In源，且通过切换阀 来供应这些气体。从而，形成具有包括由Ino,2Gao.8N构成的九个阱 层31和八个势垒层(具体地，由GaN构成的恒定成分势垒层32 和每个都包括由Ina()1Gao.99N构成的第 一 区域33A和由GaN构成的 第二区域33B的变化成分势垒层33)的多量子阱结构的活性层30。 在阱层31的形成期间，基板温度为685°C。在恒定成分势垒层32 和变化成分势垒层33的形成期间，基板温度为810°C。在此实施例 中，发光^皮长入为520 nm。
步骤-120
在完成了具有多量子阱结构的活性层30的形成之后，在将基 板温度增加到800。C的同时，使具有5 nm的厚度的由无摻杂GaN 构成的杂质扩散防止层23生长。形成杂质扩散防止层23以防止p 型杂质扩散到活性层30中。步骤-130
随后， 一寻基纟反温度增加到850。C，且开始TMG气体和^又(环 二戊烯基)镁(Cp2Mg)气体的供应，从而通过晶体生长形成具有 100 nm的厚度的由掺杂Mg的GaN ( GaN:Mg )构成的第二 GaN基 化合物半导体层22。掺杂浓度约为5 x 1019/cm3。随后，通过晶体 生长形成由InGaN构成的接触层(未图示)。停止TMG气体和 Cp2Mg气体的供应，且降低基板温度。在基板温度为600°C时停止 氨气的供应，且将基板温度降低到室温以完成晶体生长。
关于在活性层30的生长之后的基板温度丁MAx，满足关系TMAX
< 1，350-0.75X(。C),且优选地，满足关系TMAX< 1,250-0.75入(。C)， 其中X (nm)是发光波长。通过在活性层30的生长之后使用此基板温 度Tmax,可以抑制活性层30由于热而劣化，如在曰本未审查专利 申请7>开第2002-319702号中所描述。
步骤-140
在完成了晶体生长之后，在氮气环境中在800°C下#1行10分 钟的退火处理，以使p型杂质(p型掺杂剂)活化。
步骤-150
随后，如在用于LED的普通晶片工艺和芯片形成工艺中，形 成保护膜(未图示)，通过光刻、蚀刻和金属气相沉积形成第二电 极25和第一电极24，且随后通过切割形成芯片。另外，执行芯片 的树脂模制和封装。因此，可以制造实施例1的GaN基半导体发光 元件1 (例如，具有壳型结构、表面安装结构等的多种发光二极管 中的4壬意一种)。说明书第30/63页
通过与实施例1中所用的方法相同的方法来制造比较例1的
GaN基半导体发光元件，但是所有八个势垒层都具有GaN的成分 以及15 nm的厚度。
在实施例1和比4交例1的GaN基半导体发光it/f牛的每一个中， 为了评价，使用光刻和蚀刻来部分暴露第一 GaN基化合物半导体层 21，在第二 GaN基4匕合物半导体层22上形成由Ag/Ni构成的第二 电极，且在第一 GaN基化合物半导体层21上形成由Ti/Al构成的 第一电极。使探针与第一电极和第二电极接触。向GaN基半导体发 光元件供应驱动电流，并检测出从发光元件形成基板10的反面发 射的光。图5是此评价过程的示意图。
图3示出了在实施例1和比4交例1的每一个中工作电流密度(安 培/cm"和光学输出(]LiW)之间的关系。从图3显而易见，在相同 工作电流密度，在实施例1中由曲线"A"示出的光学输出与由曲 线"B，，示出的比4交例1相比无^是增加了。可以确定在/人普通LED 工作电流密度(50安培/cm2)到高工作电流密度(300安培/cm2) 的工作电流密度的整个范围上光学输出增加了。实施例1和比较例 1的每一个的发光波长均为520 nm。
图4示出了当工作电流密度乂人60安培/cm2变为300安培/cm2 时发光峰值波长的移动量的结果。图4中，垂直轴表示发光峰值波 长的移动量(单位nm)，且水平轴表示在工作电流密度为120安 培/cm2时的发光峰值波长。图4中，黑色方块和直线A示出了实施 例1的GaN基半导体发光元件的数据，且黑色圓形和直线B示出 了比较例1的GaN基半导体发光元件的数椐。从图4显而易见，实 施例1中的发光波长的移动量比比4交例1中的小。
如上所述，在实施例1和以下描述的实施例2~5中，可以通 过设置变化成分势垒层来实现具有高发光效率(高光学输出)的GaN基半导体发光元件。此外，可以通过防止在高电流密度下的发
此外，可以减少在高电流密度下的波长移动量，且可以减少图^f象显 示设备的电力消耗。可以减少脉沖驱动中的脉冲宽度，因此可以增 加GaN基半导体发光元件的寿命。
实施例2
实施例2是实施例1的1奮改。在实施例1中，每个变化成分势 垒层33的成分沿厚度方向阶梯式变化。相反，在实施例2中，每 个变化成分势垒层33的成分沿厚度方向连续变化。具体地，变化 成分势垒层33的第二区域33B (第二区域33B与设置在较靠近第 一 GaN基化合物半导体层21的一侧上的阱层31和变化成分势垒层 33之间的边界相邻)的成分为GaN。另外，变化成分势垒层33的 第一区域33A (笫一区域33A与在设置在较靠近第二 GaN基化合 物半导体层22的一侧上的阱层31和变化成分势垒层33之间的边 界相邻)的成分为InzGa(卜z)N。另夕卜，每个阱层31的成分为InyGaG-y)N (其中y〉z)。在实施例2中，y为0.2且z为0.01。图2示出了构 成活性层的阱层和势垒层的层压状态以及阱层和势垒层中铟(In) 的比例。如图2所示，铟(In)含量从第二区域33B到第一区域33A 线性变化。In含量乂人第二区域33B到第一区i或33A的变化可以为 图2的右侧中所示的变化模式的任意一种。具体地，如从图2的右 侧上部第一和第二变化成分势垒层33中所示，变化成分势垒层33 的第二区i或33B的成分(例如，GaN)可以有一定的持续，随后In 含量可以线性变化。如从图2的右侧上部第三变化成分势垒层33 中所示，In含量可以从变化成分势垒层33的第二区域3B线性变化。 或者，如乂人图2的右侧上部第四变4匕成分势垒层33中所示，可以 将线性变化与实施例1的In含量的阶梯式变化进行组合。另外，In含量的变化并不限于线性变化。或者，In含量可以变化以形成沿向 上方向凸起的曲线或沿向上方向内凹的曲线。
除了上述点之外，实施例2的GaN基半导体发光元件的配置 和结构可与实施例1的GaN基半导体发光元件的相同，因此省略其
i羊纟田4苗述。
实施例3
实施例3也是实施例1的修改。在实施例1中，每个变化成分 势垒层33的第二区域33B的成分为GaN,其第一区域33A的成分 为InzGa(1_z)N,且每个阱层1的成分为InyGa(1-y)N。相反，在实施例 3中，变化成分势垒层33的第二区域33B(第二区域33B与设置在 较靠近第一 GaN基化合物半导体层21的一侧上的阱层31和变化成 分势垒层33之间的边界相邻)的成分为AlGaN，变化成分势垒层 33的第一区域33A (第一区域33A与在设置在较靠近第二 GaN基 化合物半导体层22的一侧上的阱层31和变化成分势垒层33之间 的边界相邻)的成分为GaN，且每个阱层31的成分为InyGad-y)N(其 中y= 0.2)。或者，变4匕成分势垒层33的第二区i或33B的成分为 AlGaN，变化成分势垒层33的第一区域33A的成分为InzGa(1-z)N(其 中2 = 0.01)，且每个阱层31的成分为InyGa^-y;)N(其中y=0.2)。变 化成分势垒层33的成分沿厚度方向阶梯式变化。通过添加铝，带 隙能量变得比不添加铝的情况中的带隙能量要高。
除了上述点之外，实施例3的GaN基半导体发光元件的配置 和结构可以与实施例1的GaN基半导体发光元件的相同，因此省略 其详细描述。在实施例3中，变化成分势垒层33的成分可以如实 施例2中一样沿厚度方向连续变化。
实施例4
41实施例4也是实施例1的修改，且涉及根据第一结构和第二结 构的GaN基半导体发光元件。图6A是实施例4的GaN基半导体 发光元件1A的示意性局部截面图。图6B示出了 GaN基半导体发 光元件1A中第一GaN基化合物半导体层、活性层、层压结构(第 三GaN基化合物半导体层)和第二 GaN基化合物半导体层的结构。 在图6A等中，将活性层30表示为单层。
在实施例4的GaN基半导体发光元件1A中，乂人活性层侧开始， 在活性层30和第二 GaN基化合物半导体层22之间还依次设置(F ) 用于防止p型杂质扩散到活性层30中的杂质扩散防止层23 (杂质 扩散防止层23由无4参杂的GaN基化合物半导体构成)和(G)才艮 据具有第一结构的GaN基半导体发光元件的层压结构40或(G) 根据具有第二结构的GaN基半导体发光元件的p传导型的第三GaN 基化合物半导体层50。
根据具有第一结构的GaN基半导体发光元件，层压结构40包 4舌至少一个层压单元41(具体i也，在实施例4中两个层压单元41)，
层42和无4参杂的GaN基化合物半导体层43<
同时，根据具有第二结构的GaN基半导体发光元件，在第三 GaN基化合物半导体层50的一侧(该侧4交4妄近第二 GaN基化合物 半导体层22 )上提供至少一个无掺杂的GaN基化合物半导体层53。 具体地，在实施例4中，^是供两个无掺杂的GaN基化合物半导体层 53。
在实施例4中，构成层压单元41的p传导型的GaN基化合物 半导体层42和无4参杂的GaN基化合物半导体层43具有相同成分 (具体地，GaN)。同时，p传导型的第三GaN基化合物半导体层 50和在第三GaN基化合物半导体层50中设置的无掺杂的GaN基化合物半导体层53具有相同成分(具体地，GaN)。构成层压单元 41的p传导型的GaN基化合物半导体层42的p型杂质浓度或第三 GaN基4匕合物半导体层50的p型杂质浓度在1 x 1018/cm3~4 x 102°/cm3的范围中，具体地，为5 x 1019/cm3。
另外，构成层压单元41的p传导型的GaN基化合物半导体层 42的厚度为5 nm。构成层压单元41的无掺杂的GaN基化合物半 导体层43的厚度(或在第三GaN基化合物半导体层50中设置的无 掺杂的GaN基化合物半导体层53的厚度)为13 nm。层压结构40 的厚度(或第三GaN基化合物半导体层50的厚度)为36 nm (= 18 nm x 2)。
现在将描述实施例4的GaN基半导体发光元件的制造方法。 步骤-400
首先，通过执行与实施例1的步骤-100和步骤-110相同的步骤， 在发光元件形成基板10上形成底层11、第一GaN基化合物半导体 层21和具有包括阱层31和势垒层32和33的多量子阱结构的活性 层30。
步骤-410
在完成了具有多量子阱结构的活性层30的形成之后，在将基 板温度增加到800°C的同时使具有5 nm的厚度的由无掺杂GaN构 成的杂质扩散防止层23生长。
步骤-420
随后，在将基^J显度维持在800°C的同时，开始作为Mg源的 双(环二戊烯基)镁(Cp2Mg )的供应。由此，使p传导型的GaN基化合物半导体层42 (具体地，掺杂Mg的GaN层42 )生长以具 有5nm的厚度。随后，在停止Cp2Mg气体供应的状态下，使无掺 杂的GaN基化合物半导体层43 (具体地，无掺杂的GaN层43 )生 长以具有13 nm的厚度。以此方式使具有5 nm的厚度的掺杂Mg 的GaN层42和具有13 nm的厚度的无掺杂的GaN层43重复生长 两次。Mg的掺杂浓度约为5 x 1019/cm3。因此，可以获得包括至少 一个层压单元41的层压结构40,其中p传导型的GaN基化合物半 导体层42和无4参杂的GaN基化合物半导体层43以乂人活性层侧开始 的顺序^皮层压。或者，可以获得第三GaN基化合物半导体层50， 其在较接近第二 GaN基化合物半导体层22的一侧上包括至少一个 无才参杂的GaN基化合物半导体层53 (无掺杂的GaN层53 )。
步骤-430
随后，暂时停止TEG气体和Cp2Mg气体的供应，并将载气从 氮气切换为氢气。将基板温度增加到850°C，且开始TMG气体和 Cp2Mg气体的供应，乂人而通过晶体生长形成具有100 nm的厚度的 由4参杂Mg的GaN ( GaN:Mg )构成的第二 GaN基化合物半导体层 22。掺杂浓度约为5 x 1019/cm3。随后，通过晶体生长形成由InGaN 构成的接触层(未图示)。停止TMG气体和Cp2Mg的供应，且降 低基板温度。在基板温度为600°C时停止氨气的供应，且将基板温 度降4氐到室温以完成晶体生长。
如实施例1，关于在活性层30的生长之后的基板温度TMAX, 满足关系TMAX < 1,350-0.75X (°C)，且优选地，满足关系TMAX < 1，250-0.75入(。C)，其中X(nm)是发光波长。通过在活性层30的生长 之后使用此基板温度Tmax,可以抑制活性层30因热而劣化。
步骤-440在完成了晶体生长之后，在氮气环境中在800°C下执行10分 钟的退火处理，以4吏p型杂质(p型掺杂剂)活化。
步骤-450
随后，如在用于LED的普通晶片工艺和芯片形成工艺中，形 成保护膜(未图示)，通过光刻、蚀刻和金属气相沉淀形成第二电 极25和第一电极24，且随后通过切割形成芯片。另外，执行芯片 的树脂模制和封装。因此，可以制造实施例4的GaN基半导体发光 元件1A(例如，具有壳型结构、表面安装结构等的多种发光二极 管中的任意一种)。
在实施例4中，推定通过在活性层30和第二 GaN基化合物半
结构40 (或包括无掺杂的GaN基化合物半导体层53的第三GaN 基化合物半导体层50)来增加活性层中的空穴浓度。因此，可以在 从低工作电流密度到高工作电流密度的范围中实现更高的发光效率。
实施例5
实施例5涉及实施例4的GaN基半导体发光元件的修改。
图7示出了第一 GaN基化合物半导体层、活性层、层压结构 (第三GaN基化合物半导体层)和第二 GaN基化合物半导体层等 的结构。在实施例5的GaN基半导体发光元件1A中，构成层压单 元141的无掺杂的GaN基化合物半导体层143具有GaN基化合物 半导体层，其成分含有铟(具体地，InGaN层)。或者，第三GaN 基化合物半导体层150中设置的无掺杂的GaN基化合物半导体层
45153具有GaN基化合物半导体层，其成分含有铟(具体地，InGaN层)。
可选地，构成层压单元141的无掺杂的GaN基化合物半导体 层143具有三层结构，包括与构成层压单元141的p传导型的GaN 基化合物半导体层42成分相同的第一层143A、与第一层143A成 分相同且还含有铟的第二层143B和与第 一层143A成分相同的第三 层143C。具体地，构成层压单元141的无掺杂的GaN基化合物半 导体层143可以具有三层结构，包^:由无掺杂的GaN构成的第一层 143A、由无掺杂的InxGaG—x)N(其中0 < x《0.3 )构成的第二层143B 和由无掺杂的GaN构成的第三层143C。另外，活性层30包括 InyGaG-y)N层，其中满足关系x S y。
同时，第三GaN基化合物半导体层150中所设置的无掺杂的 GaN基化合物半导体层153具有三层结构，包括与p传导型的第三 GaN基化合物半导体层150成分相同的第一层153A、与第一层 153A成分相同且还含有铟的第二层153B和与第一层153A成分相 同的第三层153C。具体地，第三GaN基化合物半导体层150中所 设置的无掺杂的GaN基化合物半导体层153具有三层结构，包括由 无才参杂的GaN构成的第一层153A、由无4参杂的InxGa(1_x)N (其中0 < x S 0.3 )构成的第二层153B和由无4参杂的GaN构成的第三层 153C。另夕卜，活性层30包括IriyGa(卜y)N层，其中满足关系x《y。
更具体;也，在实施例5中，x为0.23,且y为0.20。可以以比 形成在活性层30中的成分含有铟的GaN基化合物半导体层(具体 地，阱层)的温度更高的温度，通过在构成层压单元141的无掺杂 的GaN基化合物半导体层143中形成成分含有铟的GaN基化合物 半导体层(第二层143B)来实现In含量的差异。或者，可以以比 形成在活性层30中的成分含有铟的GaN基化合物半导体层(具体 地，阱层)的温度更高的温度，通过在i殳置于第三GaN基化合物半导体层150中的无掺杂的GaN基化合物半导体层153中形成成分含 有铟的GaN基化合物半导体层(第二层153B )来实现In含量的差 异。当满足关系x^y时，第二层143B或153B的带隙增加。因此， 活性层30中所产生的光不能容易地由第二层143B或153B吸收。
现在将描述制造实施例5中的GaN基半导体发光元件的方法。 总体上，所得的GaN基半导体发光元件1A具有与图6A所示的基 本上相同的结构。
步-骤-500
首先，如实施例4中的步骤-400和步骤-410，在发光元件形成 基板10上形成底层11和第一 GaN基化合物半导体层21，并且还 在其上形成活性层30和杂质扩散防止层23。
步-骤-510
接着，通过开始供应用作Mg源的Cp2Mg气体，使p传导型的 GaN基化合物半导体层42 (具体地，掺杂Mg的GaN层42 )或第 三GaN基化合物半导体层150生长以具有5nm的厚度。随后，在 停止供应Cp2Mg气体的状态下，使无掺杂的GaN基化合物半导体 层(与构成层压单元141的p传导型的GaN基化合物半导体层42 成分相同的第一层143A或与p传导型的第三GaN基化合物半导体 层150成分相同的第一层153A)生长以具有5nm的厚度。随后， 通过开始供应用作In源的三曱基铟(TMI)气体，使InGaN层(与 第 一层143A成分相同且还含有铟的第二层143B ，或与第 一层153A 成分相同且还含有铟的第二层153B )生长以具有3 nm的厚度。接 着，在停止供应TMI气体的状态下，使GaN层(与第一层143A 成分相同的第三层143C，或与第一层153A成分相同的第三层 153C)生长以具有5nm的厚度。在第一层143A或153A、第二层143B或153B和第三层143C或153C的生长期间的基外反温度为 760。C。此温度高于在活性层30的生长期间的基板温度750。C。因 此，构成InGaN的第二层143B或153B的In的成分比例为0.2。 Mg的4参杂浓度约为5 x 1019/cm3。
以此方式，在比形成活性层30中的成分含有铟的GaN基化合 物半导体层的温度(具体地，实施例5中的750。C)更高的温度(具 体地，实施例5中的760。C)下，形成构成层压单元141的无4参杂 的GaN基化合物半导体层143中的成分含有铟的GaN基化合物半 导体层(第二层143B)，或者形成在第三GaN基化合物半导体层 150中所i殳置的无4参杂的GaN基化合物半导体层153中的成分含有 铟的GaN基化合物半导体层(第二层153B )。
使具有5 nm的厚度的掺杂Mg的GaN层42和具有13 nm的厚 度的无掺杂的GaN基化合物半导体层143重复生长两次。结果，可 以获得包括至少一个层压单元141的层压结构140,其中p传导型 的GaN基化合物半导体层42和无掺杂的GaN基化合物半导体层 143以/人活性层侧开始的顺序^皮层压。或者，可以获4寻第三GaN基 化合物半导体层150，其在较接近第二 GaN基化合物半导体层22 的一侧上包括至少一个无掺杂的GaN基化合物半导体层153(无趁" 杂的GaN层153)。
步-骤-520
随后，通过才丸行与实施例4中步骤-430 ~步骤-450相同的步骤， 可以制造实施例5的GaN基半导体发光元件1A (例如，具有壳型 结构、表面安装结构或类似的多种发光二极管中的任意一种)。
在实施例5中，构成层压单元141的无掺杂的GaN基化合物 半导体层143包括成分含有铟的GaN基化合物半导体层(第二层说明书第40/63页
143B),或者在第三GaN基化合物半导体层150中所设置的无掺杂 的GaN基化合物半导体层153包括成分含有铟的GaN基化合物半 导体层(第二层153B)。由于第二层143B或153B的成分含有铟， 所以第二层143B或153B的带隙比第一层143A或153A和第三层 143C或153C的带隙更小，且因此可以维持高空穴浓度。因此，可 以进一步增加活性层中的空穴浓度。因此，在实施例5的GaN基半 导体发光元l牛中，与实施例4相比，可以在相同的工作电流密度下 获得更高的发光效率。
实施例6
发明的实施方式的图像显示设备。
图8是实施例6的发光元件组件的示意性局部截面图。如图8 所示，实施例6的发光元件组件包括上述实施例1 ~ 5的GaN基半 导体发光元件1和1A中的任意一个和其上具有发光元件1或1A 的支撑部件。图8中，反向示出GaN基半导体发光元件l或1A与 支撑部件之间沿垂直方向的位置关系。另外，实施例6的图像显示 设备包括实施例1 ~5的GaN基半导体发光元件1和1A中的任意 一个或者实施例6的发光元件组件从而显示图i象。
现在将参考图9A、 9B、 IOA、 IOB、 IIA、 IIB、 12A、 12B、 13A和13B来描述实施例6的发光元件组件的制造方法。
首先，例如，执行与实施例1的步骤-100~步骤-140相同的步 骤，且随后进一步^l行直到实施例1的步骤-150中通过光刻、蚀刻 和金属气相沉积形成第二电极25的步骤。或者，执4于与实施例4的步骤一400 ~步骤-440相同的步骤，且随后进一步执4亍直到实施例 4的步骤-450中通过光刻、蚀刻和金属气相沉积形成第二电才及25 的步骤。或者，执行与实施例5的步骤-500~步骤-520相同的步骤 (直到步骤-520中通过光刻、蚀刻和金属气相沉积形成第二电极 25)。因此，可以制备具有图9A所示的梯形截面的GaN基半导体 发光元件1或1A。
接着，将GaN基半导体发光元件1或1A暂时固定到临时固定 基板60,第二电极25位于其之间。具体地，制备由玻璃基板构成 的临时固定基板60,玻璃基板具有由其表面上的未固化粘合剂构成 的粘合层61。将GaN基半导体发光元件1或1A结合到粘合层61， 且随后固化粘合层61。因此，可以将GaN基半导体发光元件1或 1A暂时固定到临时固定基板60上(参见图9B和IOA)。
步骤-620
随后，从发光元件形成基板10上分离GaN基半导体发光元件 1或1A (参见图IOB)。具体地，通过从背面研磨来减小发光元件 形成基纟反10的厚度。4妄着，通过湿式蚀刻来除去发光元件形成基 板10和底层11,以暴露第一 GaN基化合物半导体层21。
除了玻璃基板之外，构成临时固定基板60的材料的实例还包 括金属板、合金板、陶资板和塑料板。除了使用粘合剂的方法之外， 将GaN基半导体发光元件暂时固定到临时固定基板60的方法的实 例还包括金属结合法、半导体结合法和金属-半导体结合法。除了蚀 刻方法之外，/人GaN基半导体发光元件除去发光元件形成基纟反10 等的方法的实例还包括激光烧蚀法和加热法。步骤-630
接着，在每个GaN基半导体发光元件1或1A的暴露的第一 GaN基化合物半导体层21的底表面上形成第一电才及24。具体地， 首先，通过光刻在整个表面上形成抗蚀剂层。随后在其上将要形成 第 一 电极24的第一 GaN基化合物半导体层21的底表面上设置的抗 蚀剂层的部分中形成开口。随后，在整个表面上通过PVD方法(诸 如真空;兄积或'减射)形成每个者P由多层月莫(其中，例如，Au、 Pt、 Ti、 Au、 AuGe和Pd以该顺序被层压)构成的第一电才及24。随后 除去抗蚀剂层和抗蚀剂层上的多层膜。
步-骤-640
制备其上具有由硅橡胶构成的微粘合层71的转移基板70和由 在其表面上具有粘合层81 (由未固化感光性树脂构成)的玻璃基板 构成的安装基板80。在安装基板80上的预定位置处预先形成由金 属薄膜等构成的对准记号(未图示)。
只要材料通过某一方法呈现出粘附性，那么构成粘合层81的 材料就没有特别限制，可以是例如通过诸如光(尤其是，紫外光等)、 辐射射线(例如，X射线)或电子束的能量射线的照射呈现粘附性 的材料；或者通过加热、加压等呈现出粘附性的材料。能够容易地 形成为粘合层并呈现出粘附性的材料的实例包括基于树脂的粘合 剂，尤其是感光性粘合剂、热固性粘合剂和热塑性粘合剂。例如， 当使用感光性粘合剂时，可以通过用光或紫外光照射所得的粘合层 或通过加热粘合层来呈现出粘合性。当使用热固性粘合剂时，可以 通过光辐射等方法加热所得的粘合层来呈现出粘合性。当使用热塑 性粘合剂时，通过光辐射等方法选择性加热所得的粘合层的一部分 来融化该部分，因此可以对粘合层4是供流动性。粘合层的另一个实 例是压敏粘合层(由丙烯酸树脂等构成)。接着，将孩i粘合层71压到以阵列(以二维矩阵)保留在临时 固定基板60上的GaN基半导体发光元件1或1A上(参见图11A 和11B)。构成转移基板70的材料的实例包括玻璃板、金属板、合 金板、陶瓷板、半导体板和塑料板。通过定位装置(未图示)来保 持转移基4反70。可以通过4喿作定位装置来调整转移基4反70和临时 固定基板60之间的位置关系。接着，例如用受激准分子激光器 (excimer laser)从临时固定基板60的背面侧来照射将被安装的 GaN基半导体发光元件1或1A (参见图12A)。因此，发生激光烧 蚀，且从临时固定基板60上分离被受激准分子激光器照射的GaN 基半导体发光元件1或1A。随后，当将转移基板70与GaN基半导 体发光元件1或1A分开时，从临时固定基板60分离的GaN基半 导体发光元件1或1A粘附到^f效粘合层71 (参见图12B )。
接着，将GaN基半导体发光元件1或1A》文置(移动或转移) 到粘合层81上(参见图13A和图13B)。具体地，才艮据安装基板80 上才是供的对准记号将GaN基半导体发光元件1或1A从转移基板70 转移到安装基板80上的粘合层81上。GaN基半导体发光元件1或 1A仅微弱地粘合到微粘合层71。因此，当在GaN基半导体发光元 件1或1A与粘合层81接触(或被压到其上)的状态下，沿远离安 装基板80的方向移动转移基板70时，GaN基半导体发光元件1或 1A留在粘合层81上。另外，通过使用滚筒等将GaN基半导体发光 元件1或1A深嵌入粘合层81中，可以将GaN基半导体发光元件 (发光二极管)1或1A安装在安装基板80上。
为了方^更起见，使用转移基4反70的上述方法^皮称为"逐步转 移法"。通过将逐步转移法重复所需的次数，所需数目的GaN基半 导体发光元件1或1A以二维矩阵粘附到孩t粘合层71，且随后#1转 移到安装基斧反80上。具体地，在实施例6中，在一次步-骤转移中， 允许160 x 120个GaN基半导体发光元件1或1A以二维矩阵粘附到孩i粘合层71，且随后将它们转移到安装基冲反80上。因此，通过 将逐步转移法重复108次((1，920 x 1，080)/(160 x 120) = 108),可以 将1,920 x 1,080个GaN基半导体发光元件1或1A转移到安装基板 80上。通过将上述过程重复三次，可以按预定时间间隔或间距将预 定数目的发射红光二极管、发射绿光二极管和发射蓝光二极管安装 在安装基一反80上。
随后，用紫外光照射由感光性树脂构成且上面排列有GaN基 半导体发光元件1或1A的粘合层81，以固化构成粘合层81的感 光性树脂。因此，GaN基半导体发光元件1或1A被固定到粘合层 81。接着，将GaN基半导体发光元件l或lA的每一个暂时固定到 第二临时固定基板，其间具有相应的第一电极24。具体地，制备由 玻璃基4反构成的第二临时固定基玲反，3皮璃基斗反在其表面上具有未固 化粘合剂构成的粘合层90。将GaN基半导体发光元件1或1A结合 到粘合层90，且随后固化粘合层90。因此，可以将GaN基半导体 发光元件1或1A暂时固定到第二临时固定基^反。随后通过适当方 法从GaN基半导体发光元件1或1A除去粘合层81和安装基纟反80。 在此状态下，暴露GaN基半导体发光元件1或1A的第二电极25。
步骤-650
接着，在整个表面上形成第二绝缘层91,且在GaN基半导体 发光元件l或1A的第二电极25上的第二绝缘层91中形成开口 92。 在第二电才及25上形成第二配线93,以在开口 92和第二绝纟彖层91 上延伸。接着，将包括第二配线93的第二绝缘层91结合到由玻璃 基斗反构成的支撑部件95，其间具有粘合层94。由此，可以将GaN 基半导体发光元件1或1A固定到支撑部件95。接着，例如用受激 准分子激光器来照射第二临时固定基板的背面。因此，发生激光烧 蚀，且从第二临时固定基板分离被受激准分子激光器照射的GaN基 半导体发光元件1或1A。在此状态下，暴露GaN基半导体发光元件1或1A的第一电极24。接着，在整个表面上形成第一绝缘层96， 且在GaN基半导体发光元件1或1A的第一电才及24上的第一绝缘 层96中形成开口97。在第一电才及24上形成第一配线98,以在开 口 97和第一绝乡彖层96上延伸。在图8的示意性局部截面图中示出 了此状态。通过用适当方法将第一配线和第二配线连4妄到驱动电 路，可以制造发光元件组件，或者可以制造图像显示设备(发光二 极管显示设备)。GaN基半导体发光元件1或1A具有倒装(flip-chip ) 结构，且沿图8的下方向发射在活性层30中产生的光。
实施例6的图像显示设备的实例包括具有如下所述配置和结构 的图像显示设备。除非另有说明，否则可以根据图像显示设备的规 格来确定构成图像显示设备或发光元件4反的GaN基半导体发光元 件的凄t目。此外，如上所述，构成图^象显示i殳备或发光元件才反的 GaN基半导体发光元件可以为实施例1 ~5中所述的GaN基半导体 发光元件中的任意一个，或者可以为实施例6的发光元件组件。在 后一种情况下，可以将以下描述中的GaN基半导体发光元件1或 1A当作发光元件组件。
(1A)具有第一结构A的图l象显示i殳备
无源矩阵型、直视型图像显示设备，包括(oc)具有排列成二维矩 阵的GaN基半导体发光元件1或1A的发光元件板200，其中，控 制每个GaN基半导体发光元件中的发光/不发光状态，且直4矣一见觉 观察每个GaN基半导体发光元件的发光状态以显示图^f象。
图14示出了包括构成此无源矩阵型、直视型图像显示设备的 发光元件板200的电路图。图14B是具有排列成二维矩阵的GaN 基半导体发光元件1或1A的发光元件板200的示意性截面图。将 GaN基半导体发光元件1或1A的每一个的一个电极(第二电极或 第 一 电极)连接到列驱动器221,且将GaN基半导体发光元件1或1A的每一个的另一个电极(第一电极或第二电极)连接到行驱动 器222。例如通过行驱动器222来控制GaN基半导体发光元件1或 1A的每一个的发光/不发光状态，且从列驱动器221供应用于驱动 GaN基半导体发光元^f牛1或1A的每一个的驱动电流。可以通过普 通方法来执行各个GaN基半导体发光元件1或1A的选择和驱动， 因此省略其描述。
发光元件板200包括由例如印刷电路板构成的支撑体201 (在 一些情况下，与支撑部件95相对应)；设置在支撑体201上的GaN 基半导体发光元件1或1A;设置在支撑体201上的X方向配线202， 其电连接到各个GaN基半导体发光元件1或1A的一个电极(第二 电极或第一电极)，且连接到列驱动器221或行驱动器222; Y方向 配线203，其电连4妾到各个GaN基半导体发光元件1或1A的另一 个电极(第一电极或第二电极)，且连接到行驱动器222或列驱动 器221;覆盖GaN基半导体发光元件1或1A的透明基底部件204; 以及设置在透明基底部件204上的樣i透镜205。然而，发光元件板 200的结构并不限于此。
(1B)具有第一结构B的图像显示设备
有源矩阵型、直^L型图像显示设备，包括(oc)具有排列成二维矩 阵的GaN基半导体发光元件1或1A的发光元件板200，其中，控 制每个GaN基半导体发光元件的发光/不发光状态，且直接一见觉^L 察每个GaN基半导体发光元件的发光状态以显示图像。
图15示出了包括构成此有源矩阵型、直视型图像显示设备的 发光元件板200的电路图。将GaN基半导体发光元件1或1A的每 一个的一个电4及(第二电4及或第一电才及)连4妄到驱动器225，且驱 动器225连接到列驱动器223和行驱动器224。将GaN基半导体发 光元件1或1A的每一个的另一个电极(第一电极或第二电极)连接到接地线。例如通过行驱动器224选择驱动器225来控制GaN基 半导体发光元件1或1A的每一个的发光/不发光状态，且从列驱动 器223将用于驱动GaN基半导体发光元件1或1A的每一个的亮度 信号供应给相应的驱动器225。从电源(未图示)将预定电压供应 给每个驱动器225，且驱动器225向相应的GaN基半导体发光元件 1或1A供应与亮度信号相对应的驱动电流(基于PDM控制或PWM 控制)。可以通过普通方法来执4于各个GaN基半导体发光元件1或 1A的选4奪和驱动，因此省略其描述。
(2) 具有第二结构的图像显示设备
无源矩阵型或有源矩阵型、投影型图像显示设备，包括(ot)具有 排列成二维矩阵的GaN基半导体发光元件1或1A的发光元件板 200，其中，控制GaN基半导体发光元件1或1A中的每一个的发 光/不发光状态，且在屏幕上执行冲殳影以显示图像。
包括构成此无源矩阵型图像显示设备的发光元件板的电路图 与图14A所示的类似，且包括构成此有源矩阵型图像显示设备的发 光元件才反的电^各图与图15所示的类似。因此，省略其详细描述。 图16是示出了具有排列成二维矩阵的GaN基半导体发光元件1或 1A等的发光元件板200的示意图。从发光元件板200发射的光通 过投影透4竟206并^皮一更影在屏幕上。发光元件板200的配置和结构 与以上参考图14B所描述的发光元件寺反200的配置和结构类似。因 此，省略其详细描述。
(3) 具有第三结构的图像显示设备
直视型或投影型彩色图像显示设备，包括(ot)具有排列成二维矩 阵的发射红光的半导体发光元件R (例如，AlGalnP基半导体发光 元件或GaN基半导体发光元件1R)的发射红光元件板200R; (J3)具有排列成二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光元件1G的发 射绿光元件板200G;(力具有排列成二维矩阵的发射蓝光的GaN基 半导体发光元件IB的发射蓝光元件板200B;和(S)装置(例如，二 向棱镜207 )，用于将从发射红光元件板200R、发射绿光元件板200G 和发射蓝光元件板200B的每一个发射的光组合为单一光路，其中， 控制发射红光半导体发光元件R、发射绿光的GaN基半导体发光元 件1G和发射蓝光的GaN基半导体发光元件1B的每一个的发光/ 不发光状态。
包括构成此无源矩阵型图像显示设备的发光元件板的电路图 与图14A所示的类似，且包括构成此有源矩阵型图像显示设备的发 光元件^1的电^^图与图15所示的类似。因此，省略其详细描述。 图17是示出了具有排列成二维矩阵的发射红光的半导体发光元件 R的发射红光元件板200R和分别具有排列成二维矩阵的GaN基半 导体发光元件1G和1B的发光元件板200G和200B等的示意图。 从发光元件板200R、 200G和200B发射的光组分进入二向棱镜207, 且这些光组分的光路被组合为单一光路。在直视型图像显示设备 中，直接观察所得光。或者，在投影型图像显示设备中，所得光通 过才殳影透镜206并被投影在屏幕上。发光元件板200R、 200G和200B 的每一个的配置和结构都与参考图14B所描述的发光元件板200的 配置和结构相同。因此，省略其详细描述。
在此图像显示设备中，分别构成发光元fH反200R、 200G和 200B的半导体发光元件R、 1G和1B的每一个优选地由实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一个构成。或 者，例如，构成发光元4牛斗反200R的半导体发光元件R可以由 AIInGaP基化合物半导体发光二才及管构成，且分别构成发光元件才反 200G和200B的GaN基半导体发光元件1G和1B的每一个可以由实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一
个构成。
(4)具有第四结构的图像显示设备
直视型或投影型图像显示设备，包括(a)GaN基半导体发光元 件1或1A;和(P)光透射控制装置(例如，包括高温多晶硅薄膜晶 体管的液晶显示装置208;以下相同)，其为控制从GaN基半导体 发光元件1或lA发射的光的透射/不透射的光阀，其中通过液晶显 示装置208 (其为光透射控制装置)来控制从GaN基半导体发光元 件1或1A发射的光的透射/不透射以显示图像。
可以根据图像显示设备的规格来确定GaN基半导体发光元件 的凄史目，且该数目可以为一个或两个以上。图18是图^f象显示i殳备 的示意图。在图18所示的实例中，GaN基半导体发光元件1或1A 的数目为1，且将GaN基半导体发光元件l或lA固定到散热片210。 从GaN基半导体发光元件1或1A发射的光由包括由透光材冲牛(诸 如硅树脂、环氧树脂或聚碳酸酯树脂)构成的光学引导部件和诸如 反射4竟的反射体的导光部件209引导，并进入液晶显示装置208。 在直视型图像显示设备中，直接观察从液晶显示装置208发射的光。 或者，在投影型图像显示设备中，从液晶显示装置208发射的光通 过投影透镜206并被投影在屏幕上。可以将实施例1 ~5中所描述 的GaN基半导体发光元件的4壬意一个用作GaN基半导体发光元件 1或1A。
可以通过制造一种图像显示设备来获得直视型或投影型彩色 图像显示设备，该图像显示设备包括发射红光的半导体发光元件 R(例如，AlGalnP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R ) 和光透射控制装置(例如，液晶显示装置208R)，其为控制从发射 红光的半导体发光元件R发射的光的透射/不透射的光阀；发射绿光的GaN基半导体发光元件1G和光透射控制装置(例如，液晶显 示装置208G ),其为控制从发射绿光的GaN基半导体发光元件1G 发射的光的透射/不透射的光阀；发射蓝光的GaN基半导体发光元 件IB和光透射控制装置(例如，液晶显示装置208B)，其为控制 从发射蓝光的GaN基半导体发光元件1B发射的光的透射/不透射的 光阀；导光部件209R、 209G和209B,其分别引导从发射红光的 半导体发光元件R、发射绿光的GaN基半导体发光元件1G和发射 蓝光的GaN基半导体发光元件IB发射的光组分；以及用于将光组 分组合为单一光路的装置(例如，二向棱镜207)。图19是示出了 此投影型彩色图像显示设备的实例的示意图。
在此图像显示设备中，半导体发光元件R、 1G和IB的每一个 优选由实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的 4壬意一个构成。或者，例如，半导体发光元件R可以由AlInGaP基 化合物半导体发光二极管构成，且GaN基半导体发光元件1G和 IB的每一个可以由实施例1 ~5中所描述的GaN基半导体发光元件 1和1A的4壬意一个构成。
(5)具有第五结构的图像显示设备
直视型或投影型图像显示设备，包括(oc)具有排列成二维矩阵的 GaN基半导体发光元件1或1A的发光元件板200;和(P)光透射控 制装置(液晶显示装置208),其控制从GaN基半导体发光元件1 或1A的每一个发射的光的透射/不透射，其中，通过光透射控制装 置(液晶显示装置208 )来控制从GaN基半导体发光元件1或1A 的每一 个发射的光的透射/不透射以显示图^f象。
图20是发光元件板200等的示意图。发光元件4反200的配置 和结构可以与参考图14B所描述的发光元件板200的配置和结构相 同。因此，省略其详细描述。通过液晶显示装置208的才喿作来4空制从发光元件板200发射的光的透射/不透射和亮度。因此，可以恒定 打开构成发光元件板200的GaN基半导体发光元件1或1A，或者 可以以适当周期将其重复打开或关闭。从发光元件板200发射的光 进入液晶显示装置208。在直视型图像显示设备中，直接观察从液 晶显示装置208发射的光。或者，在投影型图像显示设备中，从液 晶显示装置208发射的光通过投影透镜206并被投影在屏幕上。
(6)具有第六结构的图像显示设备
直视型或投影型彩色图像显示设备，包括(a)具有排列成二维矩 阵的发射红光半导体发光元件R (例如，AlGalnP基半导体发光元
从发射红光元件板200R发射的光的透射/不透射的红光透射控制装 置(液晶显示装置208R); (p)具有排列成二维矩阵的发射绿光的 GaN基半导体发光元件1G的发射绿光元件4反200G，和控制,人发 射绿光元件板200G发射的光的透射/不透射的绿光透射控制装置 (液晶显示装置208G);(力具有排列成二维矩阵的发射蓝光的GaN 基半导体发光元件1B的发射蓝光元件板200B，和控制从发射蓝光 元件板200B发射的光的透射/不透射的蓝光透射控制装置(液晶显 示装置208B);以及(S)装置(例如，二向棱镜207),用于将从红光 透射控制装置208R、绿光透射控制装置208G和蓝光透射控制装置 208B的每一个发射的光组合为单一光^各，其中通过相应的光透射 控制装置208R、 208G和208B来控制从发光元件板200R、 200G 和200B发射的光的透射/不透射以显示图像。
图21是示出了具有排列成二维矩阵的发射红光的半导体发光 元件R的发射红光元件板200R和分别具有排列成二维矩阵的GaN 基半导体发光元件1G和1B的发光元件板200G和200B等的示意 图。从发光元件板200R、 200G和200B发射的光组分(其透射/不 透射分别由光透射控制装置208R、 208G和208B来控制)进入二向棱4竟207。光组分的光鴻4皮组合为单一光路。在直一见型图^f象显示 设备中，直接观察所得光。或者，在投影型图像显示设备中，所得 光通过投影透镜206并被投影在屏幕上。发光元件板200R、 200G 和200B的每一个的配置和结构与参考图14B所描述的发光元件4反 200的配置和结构相同。因此，省略其详细描述。
在此图像显示设备中，分别构成发光元件板200R、 200G和 200B的半导体发光元件R、 1G和1B的每一个优选地由实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一个构成。或 者，例如，构成发光元件板200R的半导体发光元件R可以由 AlInGaP基化合物半导体发光二才及管构成，且分别构成发光元件4反 200G和200B的GaN基半导体发光元件1G和1B的每一个可以由 实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一 个构成。
(7)具有第七结构的图像显示设备
(直视型或投影型)场序制彩色图像显示设备，包括(oc)发射红 光半导体发光元件R (例如，AlGalnP基半导体发光元件或GaN基 半导体发光元件1R); (P)发射绿光的GaN基半导体发光元件1G; (力发射蓝光的GaN基半导体发光元件1B; (5)装置(例如，二向棱 镜207),用于将从发射红光半导体发光元件R、发射绿光的GaN 基半导体发光元件1G和发射蓝光的GaN基半导体发光元件1B的 每一个发射的光组合为单一光路；以及(s)控制从用于将光组合成所 述光路的装置(二向棱镜207)发射的光的透射/不透射的光透射控 制装置(液晶显示装置208),其中，通过光透射控制装置208来控 制从每个发光元件发射的光的透射/不透射以显示图像。
图22是半导体发光元件R、 1G和1B等的示意图。从半导体 发光元件R、 1G和1B发射的光组分进入二向棱镜207，且这些光成分的光路被组合为单一光路。从二向棱镜207发射的每个光组分 的透射/不透射由光透射控制装置208控制。在直视型图像显示设备 中，直接观察所得光。或者，在投影型图像显示设备中，所得光通 过投影透镜206并被投影在屏幕上。在此图像显示设备中，半导体 发光元件R、 1G和1B的每一个优选地由实施例1 ~ 5中所描述的 GaN基半导体发光元件1和1A的〗壬意一个构成。或者，例如，半 导体发光元件R可以由AlInGaP基化合物半导体发光二极管构成， 且GaN基半导体发光元件1G和1B的每一个可以由实施例1 ~5 中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一个构成。
(8)具有第八结构的图像显示设备
(直视型或投影型)场序制彩色图像显示设备，包括(a)具有排 列成二维矩阵的发射红光的半导体发光元件R (例如，AlGalnP基 半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)的发射红光元件板 200R; (p)具有排列成二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光元 件的发射绿光元件板200G;(力具有排列成二维矩阵的发射蓝光的 GaN基半导体发光元件1B的发射蓝光元件板200B; (5)装置(例如， 二向棱4ft207),用于将从发射红光元件板200R、发射绿光元件板 200G和发射蓝光元件板200B的每一个发射的光组合为单一光路； 以及(s)控制从用于将光组合成单一光路的装置(二向棱镜207)发 射的光的透射/不透射的光透射控制装置(液晶显示装置208)，其 中，通过光透射控制装置208来控制从发光元件板200R、 200G和 200B的每一个发射的光的透射/不透射以显示图像。
图23是示出了具有排列成二维矩阵的发射红光的半导体发光 元件R的发光元件板200R和分别具有排列成二维矩阵的GaN基半 导体发光元件1G和1B的发光元件板200G和200B等的示意图。 从发光元件板200R 、 200G和200B发射的光组分进入二向棱镜207 ， 且这些光组分的光路被组合为单一光路。从二向棱镜207发射的每个光组分的透射/不透射由光透射控制装置208控制。在直^f见型图像 显示设备中，直接观察所得光。或者，在投影型图像显示设备中， 所得光通过投影透镜206并被投影在屏幕上。发光元件板200R、 200G和200B的每一个的配置和结构与参考图14B所描述的发光元 件斗反200的配置和结构相同。因此，省略其详细描述。
在此图像显示设备中，分别构成发光元件板200R、 200G和 200B的半导体发光元件R、 1G和1B的每一个优选地由实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元4牛1和1A的《壬意一个构成。或 者，例如，构成发光元件板200R的半导体发光元件R可以由 AlInGaP基化合物半导体发光二4及管构成，且分别构成发光元件4反 200G和200B的GaN基半导体发光元件1G和1B的每一个可以由 实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一 个构成。
实施例7
实施例7也涉及图像显示设备。实施例7的图像显示设备包括 排列成二维矩阵的用于显示彩色图像的发光元件单元UN，且每个 发光元件单元UN包括发射蓝光的第一发光元件、发射绿光的第二 发光元件和发射红光的第三发光元件。构成第一发光元件、第二发 光元件和第三发光元件中的至少一个的GaN基半导体发光元件(发 光二极管)的基本配置和结构可以像实施例6那样，与实施例1 ~ 5 中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一个的配置和结 构相同，或者可以为与实施例6的发光元件组件的配置和结构相同。 在后一种情况下，可以将以下描述中的GaN基半导体发光元件1 或1A当作发光元件组件。在此图像显示设备中，使第一发光元件、 第二发光元件和第三发光元件中的任意一个由实施例1~5中所描 述的GaN基半导体发光元件1和1A的任意一个构成就足够了 。在一些情况下，例如，发射红光的第三发光元件可以由AlInGaP基化 合物半导体发光二极管构成。
实施例7的图像显示设备的实施例包括具有以下所描述的配置 和结构的图像显示设备。可以根据图像显示设备的规格来确定发光 元件单元UN的凄t目。
(1 )具有第九结构和第十结构的图像显示设备
无源矩阵型或有源矩阵型、直视型彩色图像显示设备，包括第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件，其中，控制第一发光 元件、第二发光元件和第三发光元件的每一个的发光/不发光状态， 且直接视觉观察每个发光元件的发光状态以显示图像；以及无源矩 阵型或有源矩阵型、4殳影型彩色图4象显示i殳备，包括第一发光元件、 第二发光元件和第三发光元件，其中，控制第一发光元件、第二发 光元件和第三发光元件的每一个的发光/不发光状态，且在屏幕上执 行投影以显示图像。
图24是包括构成此有源矩阵型、直视型彩色图像显示设备的 发光元件板的电路图。将GaN基半导体发光元件1或1A (在图24 中，发射红光的半导体发光元件(即，发射红光半导体发光元件) 由"R"表示，发射绿光的GaN基半导体发光元件(即，发射绿光 半导体发光元件)由"G"表示，且发射蓝光的GaN基半导体发光 元件(即，发射蓝光半导体发光元件)由"B"表示)的每一个的 一个电极(第二电极或第一电极)连接到驱动器225。将每个驱动 器225连接到列驱动器223和行驱动器224。将GaN基半导体发光 元件1或1A的每一个的另一个电极(第一电极或第二电极)连接 到接地线。例如通过行驱动器224选择驱动器225来控制GaN基半 导体发光元件1或1A的每一个的发光/不发光状态，且从列驱动器 223向相应的驱动器225供应用于驱动GaN基半导体发光元件1或1A的每一个的亮度信号。从电源(未图示)将预定电压供应给每 个驱动器225,且驱动器225向相应的GaN基半导体发光元^牛1或 1A供应与亮度信号相对应的驱动电流(基于PDM控制或PWM控 制)。由相应的驱动器225来进行发射红光的半导体发光元件R、
发光元件B的选#^。发射红光的半导体发光元件R、发射绿光的 GaN基半导体发光元件G和发射蓝光的GaN基半导体发光元件B 的每一个的发光/不发光状态可以通过分时来控制，或者半导体发光 元件R、 G和B可以同时发光。可以通过普通方法来执行各个GaN 基半导体发光元件1或1A的选择和驱动，因此省略其描述。在直 视型图像显示设备中，直接观察所得光。或者，在投影型图像显示 设备中，所得光通过投影透镜并被投影在屏幕上。
(2)具有第十一结构的图像显示设备
直视型或投影型场序制彩色图像显示设备，包括排列成二维矩 阵的发光元件单元和控制从每个发光元件单元发射的光的透射/不 透射的光透射控制装置(例如，液晶显示装置)，其中，通过分时 来控制每一个发光元件单元中的第一发光元件、第二发光元件和第
三发光元件的每一个的发光/不发光状态，并通过光透射控制装置来 控制从第一发光元件、第二发光元件和第三发光元件的每一个发射 的光的透射/不透射，以显示图4象。
此图像显示设备的示意图与图16中所示的类似。在直视型图 像显示设备中，直接观察所得光。或者，在投影型图像显示设备中， 所得光通过投影透镜并被投影在屏幕上。
实施例8实施例8涉及根据本发明实施方式的发光设备。实施例8的发 光设备包括实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A 中的任意一个，和由从GaN基半导体发光元件1或1A发射的光激 励而发射具有与从GaN基半导体发光元件1或1A发射的光不同的 波长的光的颜色转换材料。例如，颜色转换材料被应用到GaN基半 导体发光元件1或1A的发光部分。或者，可以将颜色转换材料膜 应用到GaN基半导体发光元件1或1A作为颜色转换材料。在实施 例8的发光设备中，从GaN基半导体发光元件1或1A发射的光的 实施例包括可见光、紫外光以及可见光和紫外光的组合。可以用实 施例6的发光元件组件来替代GaN基半导体发光元件1或1A。在 此情况下，可以一夺以下描述中的GaN基半导体发光元件1或1A当 作发光元件组件。
实施例8的发光设备可以具有这样的结构，其中从GaN基半 导体发光元件1或1A发射的光为蓝光、从颜色转换材料发射的光 为选自由黄光、绿光和红光组成的组中的至少一个。或者，发光设 备可以具有这样的结构，其中从GaN基半导体发光元件1或1A发 射的光和从颜色转换材料发射的光(例如，黄色；红色和绿色；黄 色和红色；或绿色、黄色和红色)被混合以发射白光。发光设备的 结构并不限于此，且可以爿寻发光i殳备应用于可变颜色照明或显示器。
更具体地，在实施例8中，从GaN基半导体发光元件1或1A 发射的光为蓝光、从颜色转换材料发射的光为黄光。颜色转换材料 由钇铝石榴石(YAG)基荧光粒子构成。从GaN基半导体发光元 件1或1A发射的光(蓝光)和从颜色转换材料发射的光(黄光) -故混合以发射白光。
可选地，在实施例8中，乂人GaN基半导体发光元件1或1A发 射的光为蓝光，乂人颜色转换材冲牛发射的光由绿光和红光构成。从GaN基半导体发光元件1或1A发射的光(蓝光)和从颜色转换材 料发射的光(绿光和红光)被混合以发射白光。在此情况下，发射 绿光的颜色转换材料由通过从GaN基半导体发光元件1或1A发射 的蓝光激励的发射绿光的荧光粒子(诸如SrGa2S4:Eu )构成。发射 红光的颜色转换材料由通过从GaN基半导体发光元件1或1A发射 的蓝光激励的发射红光的荧光粒子(诸如CaS:Eu)构成。
实施例9
实施例9是将实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件 的任意一个应用到表面光源装置和液晶显示装置组件(具体地，彩 色液晶显示装置组件)的实施例。实施例9的表面光源装置4吏光从 背面侧照射到透射型或半透射型彩色液晶显示装置。实施例9的彩 色液晶显示装置组件包括透射型或半透射型彩色液晶显示装置和 使光从背面侧照射到彩色液晶显示装置的表面光源装置。设置为表 面光源装置中的光源的GaN基半导体发光元件(发光二才及管)1R、 1G和IB的基本配置和结构与实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导 体发光元件的配置和结构相同。GaN基半导体发光元件1R、 IG和 IB可以用实施例6的发光元件组件来3齐代。在此情况下，可以将 以下描述中的GaN基半导体发光元件1R、 1G和IB当作发光元件 组件。
图25A示意性地示出了在实施例9的表面光源装置中GaN基 半导体发光元件(发光二极管)1R、 1G和IB的排列。图25B是 表面光源装置和彩色液晶显示装置组件的示意性局部截面图。图26 是彩色液晶显示装置的示意性局部截面图。
更具体地，实施例9的彩色液晶显示装置300包括透射型彩色 液晶显示装置310,其包4舌(a)具有透明第一电才及324的前纟反320、 (b)具有透明第二电极334的后板330和(c)设置在前板320和后板330之间的液晶材料327;以及(d)具有用作光源的半导体发 光元件1R、 1G和1B的表面光源装置(直接型背光)340。表面光 源装置(直接型背光)340被设置以面向后板330，且用从表面光 源装置340发射的光乂人后板侧照射彩色液晶显示装置310。
直接型表面光源装置340包括壳体341,壳体341包括外部框 343和内部框344。保持透射彩色液晶显示装置310的每个端部以 夹在外部才匡343和内部4匡344之间，其间分别具有垫片(spacer ) 345A和345b。导引部件346设置在外部框343和内部框344之间， 以使得夹在外部框343和内部框344之间的彩色液晶显示装置310 不会被从合适的位置移动。将漫射板351安装到壳体341的上部的 内部框344 (之间具有垫片345c和支架部件347)。在漫射板351 上设置包括漫射片352、棱镜片353和偏光转换片354的光学功能 片组。
在壳体341的下部设置反射片355。反射片355被配置为其反 射表面面对漫射板351,且被安装到壳体341的底表面342A，其间 具有固定部件(未图示)。例如，反射片355可以由高反射4艮膜构 成，该高反射银膜具有其中银反射膜、低折射率膜和高折射率膜以 此顺序层压在片基底材料上的结构。反射片355反射从多个发射红 光的GaN基半导体发光元件1R (或AlGalnP基半导体发光元件)、 多个发射绿光的GaN基半导体发光元件1G和多个发射蓝光的GaN
光。因此，将从半导体发光元件1R、 1G和1B发射的红光、绿光 和蓝光混合，且可以获得具有高色彩纯度的白光作为照明光。此照 明光通过漫射板351和包括漫射片352、棱4竟片353和偏光转换片 354的光学功能片组，并乂人后表面侧照射彩色液晶显示装置310。
例如，关于发光元件的排列，可以沿水平方向排列多个发光元 件行以形成发光元件行阵列，每个发光元件4于都包括预定#:目的发射红光的GaN基半导体发光元件1R (或AlGalnP基半导体发光元 件)、发射绿光的GaN基半导体发光元件1G和发射蓝光的GaN基 半导体发光元件1B，且可以沿垂直方向排列多个这些发光元件4亍 阵列。关于构成发光元件行的发光元件的H目，发光元件行包括例 如两个发射红光的AlGalnP基半导体发光元件、两个发射绿光的 GaN基半导体发光元件和一个发射蓝光的GaN基半导体发光元件。 在此情况下，例如，发射红光的AlGalnP基半导体发光元件、发射 绿光的GaN基半导体发光元件、发射蓝光的GaN基半导体发光元 件、发射绿光的GaN基半导体发光元件和发射红光的AlGalnP基 半导体发光元件以该顺序j非列。
如图26中所示，构成彩色液晶显示装置310的前板320包括 由例如玻璃基板构成的第一基板321和设置在第一基板321的外表 面上的偏光膜326。在第一基板321的内表面上i殳置涂覆有由丙烯 酸树脂或环氧树脂构成的外涂层323的滤色片322。在外涂层323 上设置透明第一电极(也称为"公共电极"，例如由ITO构成)324。 在透明第一电极324上i殳置对准层325。后板330包括由例如玻璃 基板构成的第二基板331、设置在第二基板331的内表面上的开关 元件(具体地，薄膜晶体管(TFT)) 332、由开关元件332控制传 导/非传导的透明第二电极334 (也称为"像素电极"，例如由ITO 构成)和设置在第二基板331的外表面上的偏光膜336。在包括透 明第二电极334的整个表面上设置对准层335。将前板320和后板 330在其外表面上彼此结合，其间具有密封部件(未图示)。开关元 件332并不限于TFT。或者，开关元件332可以由例如MIM元件 构成。在开关元件332之间设置绝缘层337。
构成透射彩色液晶显示装置的各种部件和液晶材并牛可以由通 常使用的部件和材料构成，因此省略其详细描述。另外，通过将表面光源装置分为多个区域并通过独立地动态控 制每个区域，可以进一步增加对于彩色液晶显示装置的亮度的动态 范围。具体地，将表面光源装置分为用于每个图像显示帧的多个区 域，且根据每个区域中的图像信号来改变表面光源装置的明度(例 如，与图像的相应区域的最大亮度成比例地改变表面光源装置的每 个区域的亮度)。在此情况下，在图像的明亮区域中，使表面光源 装置的相应区域变亮，而在图^f象的黑暗区域中，〗吏表面光源装置的 相应区域变暗。从而，可以明显改进彩色液晶显示装置的对比度。
另外，可以减少平均电力消肆€。在此4支术中，重要的是减少表面光 源装置的区域之间的颜色不均匀。在GaN基半导体发光元件中，在 制造期间，容易发生发光颜色的差异。然而，实施例9中所用的每 个GaN基半导体发光元件均与实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导 体发光元件1和1A的4壬意一个相同，因此可以实现其中抑制了区 域之间的发光颜色差异的表面光源装置。此外，除了控制用作光源 的GaN基半导体发光元件的工作电流(或驱动电流)密度，还可以 通过控制驱动电流的^o中宽度和/或驱动电流的^o中密度来控制用 作光源的GaN基半导体发光元件的亮度(明度)。因此，可以可靠 且容易地独立动态控制多个被划分区域的每一个。具体地，例如， 可以通过驱动电流(工作电流)的峰电流值来控制表面光源装置的 每个区域的亮度，且可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密 度来精细地控制亮度。或者，与此相反，可以通过控制驱动电流的 脉冲宽度和/或脉冲密度来控制整个表面光源装置的亮度，且可以通 过驱动电流(工作电流)的峰电流值来精细地控制亮度。
实施例10
实施例10是实施例9的修改。在实施例9中，已经描述了直 接型表面光源装置。另一方面，在实施例10中，将描述边缘光型 表面光源装置。图27是实施例10的彩色液晶显示装置组件的示意图。实施例10中的彩色液晶显示装置的示意性局部截面图与图26 中所示的示意性局部截面图相同。
实施例10的彩色液晶显示装置组件300A包括透射型彩色液晶 显示装置310,其包括(a)具有透明第一电才及324的前板320、 (b) 具有透明第二电极334的后板330和(c )设置在前板320和后板 330之间的'液晶才才泮牛327;以及(d )由导光才反370和光源360冲勾成 并从后板侧使光照射到彩色液晶显示装置310的表面光源装置(边 缘光型背光)350。导光板370被设置为面向后板330。
光源360由例如发射红光的AIGalnP基半导体发光元件、发射 绿光的GaN基半导体发光元件和发射蓝光的GaN基半导体发光元 件构成。图27中未示出这些半导体发光元件。发射绿光的GaN基 半导体发光元件和发射蓝光的GaN基半导体发光元件的每一个可 以与实施例1 ~ 5中所描述的GaN基半导体发光元件1和1A的任 意一个相同。构成彩色液晶显示装置310的前板320和后板330的 配置和结构可以与参考图26所描述的实施例9的前板320和后板 330的配置和结构相同，因此省略其详细描述。
例如，由聚碳酸酯树脂构成的导光板370具有第一表面(底面) 371、与第一表面371相对的第二表面(顶面)373、第一侧表面374、 第二侧表面375、与第一侧表面374相对的第三侧表面376、以及 与第二侧表面375相对的第四侧表面。更具体地，作为整体，导光 板370具有楔形的截顶四角锥形。截顶四角锥形的两个相对的侧表 面只于应于第一表面371和第二表面373，且截顶四边4,形的底面乂十 应于第一侧表面374。第一表面371具有凹凸部分372。当沿以入 射到导光板370的光方向延伸且与第一表面371垂直的假定平面切 割导光板370时，连续凹凸部分的截面形状为三角形。即，在第一 表面371上所设置的凹凸部分372为棱柱形。导光板370的第二表 面373可以为光滑表面(即，4竟面)，或者可以具备具有漫射效果的凹凸，该凹凸通过喷射(blasting)形成(即，细小凹凸表面)。 反射部件381被配置为面对导光板370的第一表面371。彩色液晶 显示装置310被配置为面对导光^反的第二表面373。另外，将漫射 片382和棱镜片383配置在彩色液晶显示装置310和导光板370的 第二表面373之间。从光源360发射的光从导光板370的第一侧表 面374 (例如，与截顶四角锥的底面相应的表面)进入导光板370, 与第一表面371上的凹凸部分372碰撞以^皮散射，从第一表面371 被发射，在反射部件381上被反射，再次进入第一表面371,从第 二表面373被发射，穿过漫射片382和棱镜片383，并照射彩色液 晶显示装置310。
已经基于优选实施例描述了本发明。然而，本发明并不限于这 些实施例。实施例中所描述的GaN基半导体发光元件的配置与结 构，以及包括GaN基半导体发光元件的发光元件组件、发光元件设 备、图像显示设备、表面光源装置和彩色液晶显示装置组件的配置 和结构仅为示例性的。构成这些的部件、材料等也〗又为示例性的且 可以适当改变。可以颠倒GaN基半导体发光元4牛中的层压顺序。直 视型图像显示设备可以为图像被投影在人的视网膜上的图像显示 设备。GaN基半导体发光元件可以构成半导体激光器。
本发明包含涉及于2008年4月14日向日本专利局4是交的日本 优先权专利申请JP 2008-104405中所7>开的内容的主题，其全部内 容结合于此作为参考。
本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素，可以 有多种修改、组合、子组合和改进，均应包含在随附权利要求或等 同物的范围之内。
权利要求
1.一种GaN基半导体发光元件，包括(A)n传导型的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和分离相邻阱层的势垒层的多量子阱结构的活性层；(C)p传导型的第二GaN基化合物半导体层；(D)电连接到所述第一GaN基化合物半导体层的第一电极；以及(E)电连接到所述第二GaN基化合物半导体层的第二电极，其中，构成所述活性层的所述势垒层中的至少一个由变化成分势垒层构成，且所述变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使所述变化成分势垒层的第一区域中的带隙能量比所述变化成分势垒层的第二区域中的带隙能量低，其中，所述第一区域与在设置在较靠近所述第二GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界相邻，所述第二区域与在设置在较靠近所述第一GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界相邻。
2. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述 变化成分势垒层的成分沿所述厚度方向阶梯式变化。
3. 根据权利要求2所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述变化成分势垒层的成分沿所述厚度方向分两 纟及变4b,以及当将设置在较靠近所述第一 GaN基化合物半导体层的一 侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的所述边界设定为基 准时，所述成分沿所述厚度方向发生变化的位置to满足以下 关系0.01tB St"0,5tB,其中，tB表示所述变化成分势垒层的厚度。
4. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述 变化成分势垒层的成分沿所述厚度方向连续变化。
5. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述变化成分势垒层的第二区域的成分为GaN， 所述变化成分势垒层的第一区域的成分为InzGa(卜z)N，以及所述阱层中的每一个的成分为InyGa^-y)N (其中y 〉 z )。
6. 根据权利要求5所述的GaN基半导体发光元件，其中，满足 关系1 x l(T4^z^3 x 10一2。
7. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述变化成分势垒层的第二区域的成分为AlGaN，所述变化成分势垒层的第一区域的成分为GaN或 InzGa(卜z)N，以及所述阱层中的每一个的成分为InyGao-y)N (其中y>z)。
8. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述 阱层的凄丈目在6 — 15的范围中。
9. 根据权利要求8所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述 变化成分势垒层的数目为势垒层的总数目的1/2以上。
10. 根据权利要求9所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述 变化成分势垒层占据较靠近所述第二 GaN基化合物半导体层的位置。
11. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，施加 给所述活性层的电流密度为50安培/crr^以上。
12. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述 活性层具有在10—12 ~ 10—8 n^的范围中的面积。
13. 根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述 GaN基半导体发光元件具有在1 x 10—7~ 1 x 10—5 m的范围中 的厚度。
14. 根据权利要求1 ~ 13中任一所述的GaN基半导体发光元件， 还包括(F) 杂质扩散防止层，用于防止p型杂质扩散到所述活 性层中，所述杂质扩散防止层由无掺杂的GaN基化合物半导 体构成，以及(G) 层压结构，所述杂质扩散防止层和所述层压结构以从所述活性层侧 开始的顺序被设置在所述活性层和所述第二 GaN基化合物半 导体层之间，其中，所述层压结构包括至少一个层压单元，在其中以 /^所述活性层侧开始的顺序层压p传导型的GaN基化合物半 导体层和无掺杂的GaN基化合物半导体层。
15. 根据权利要求1 ~ 13中任一所述的GaN基半导体发光元件， 还包括(F) 杂质扩散防止层，用于防止p型杂质扩散到所述活 性层中，所述杂质扩散防止层由无摻杂的GaN基化合物半导 体构成，以及(G) p传导型的第三GaN基化合物半导体层，所述杂质扩散防止层和所述第三GaN基化合物半导体层 以从所述活性层侧开始的顺序祐/没置在所述活性层和所述第 二 GaN基化合物半导体层之间，其中，在所述第三GaN基化合物半导体层的一侧上i殳置 至少一个无掺杂的GaN基化合物半导体层，所述一侧较靠近 所述第二 GaN基化合物半导体层。
16. —种发光元件组件，包括支撑部件；以及GaN基半导体发光元件，设置在所述支撑部件上， 其中，所述GaN基半导体发光元件包括(A) n传导型的第一GaN基化合物半导体层；(B) 具有包括阱层和分离相邻阱层的势垒层的多量 子阱结构的活性层；(C) p传导型的第二GaN基化合物半导体层；(D) 电连接到所述第一 GaN基化合物半导体层的 第一电才及；以及(E) 电连接到所述第二 GaN基化合物半导体层的 第二电才及，
17.其中，构成所述活性层的所述势垒层中的至少一个 由变化成分势垒层构成，且所述变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使 所述变化成分势垒层的第一区域中的带隙能量比所述变 化成分势垒层的第二区域中的带隙能量低，其中，所述 第一区域与在设置在较靠近所述第二 GaN基化合物半导 体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界 相邻，所述第二区域与在设置在较靠近所述第一 GaN基 化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层 之间的边界对目邻。一种发光设备，包括(a) GaN基半导体发光元件；以及(b) 颜色转换材料，由从所述GaN基半导体发光元件发光,其中，所述GaN基半导体发光元件包括(A) n传导型的第一GaN基化合物半导体层；(B) 具有包括阱层和分离相邻阱层的势垒层的多量 子阱结构的活性层；(C) p传导型的第二GaN基化合物半导体层；(D) 电连接到所述第一 GaN基化合物半导体层的 第一电一及；以及(E) 电连接到所述第二 GaN基化合物半导体层的 第二电才及，其中，构成所述活性层的所述势垒层中的至少一个 由变化成分势垒层构成，且所述变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使所述变化成分势垒层的第 一 区域中的带隙能量比所述变化成分势垒层的第二区域中的带隙能量低，其中，所述第一区域与在设置在较靠近所述第二 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界相邻，所述第二区域与在设置在较靠近所述第一 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层《间的ii^冲目4卩。
18.—种GaN基半导体发光元件的驱动方法，所述GaN基半导体发光元件包括(A) n传导型的第一GaN基化合物半导体层；(B) 具有包括阱层和分离相邻阱层的势垒层的多量子阱结构的活性层；(C) p传导型的第二GaN基化合物半导体层；(D) 电连接到所述第一 GaN基化合物半导体层的第一电才及；以及(E) 电连接到所述第二 GaN基化合物半导体层的第二电极，其中，构成所述活性层的所述势垒层中的至少一个由变化成分势垒层构成，且所述变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使所述变化成分势垒层的第一区域中的带隙能量比所述变化成分势垒层的第二区域中的带隙能量低，其中，所述第一区域与在设置在较靠近所述第二 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界相邻，所述第二区i或与在i殳置在较靠近所述第一 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界相邻，所述方法包4舌以50安培/cm2以上的电流密度向所述活性层施加电流的步骤。
19.一种图像显示设备，包括用于显示图j象的GaN基半导体发光元件，其中，所述GaN基半导体发光元件包括(A) n传导型的第一GaN基化合物半导体层；(B) 具有包括阱层和分离相邻阱层的势垒层的多量子阱结构的活性层；(C) p传导型的第二GaN基化合物半导体层；(D) 电连接到所述第一 GaN基化合物半导体层的第一电一及；以及(E) 电连接到所述第二 GaN基化合物半导体层的第二电才及，其中，构成所述活性层的所述势垒层中的至少一个由变化成分势垒层构成，且所述变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使所述变化成分势垒层的第一区域中的带隙能量比所述变化成分势垒层的第二区域中的带隙能量低，其中，所述第一区域与在设置在较靠近所述第二 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界相邻，所述第二区域与在设置在较靠近所述第一 GaN基化合物半导体层的一侧上的阱层和所述变化成分势垒层之间的边界相邻。
全文摘要
本发明公开了一种GaN基半导体发光元件及其驱动方法、发光元件组件、发光设备和图像显示设备，该GaN基半导体发光元件包括第一GaN基化合物半导体层；具有多量子阱结构的活性层；和第二GaN基化合物半导体层，其中，构成活性层的势垒层中的至少一个由变化成分势垒层构成，且变化成分势垒层的成分沿其厚度方向变化以使变化成分势垒层的一个区域(该区域与在设置在较靠近第二GaN基化合物半导体层的阱层和变化成分势垒层之间的边界相邻)中的带隙能量比变化成分势垒层的另一个区域(该区域与在设置在较靠近第一GaN基化合物半导体层的阱层和变化成分势垒层之间的边界相邻)中的带隙能量要低。
文档编号H01L33/50GK101562226SQ20091013443
公开日2009年10月21日 申请日期2009年4月13日 优先权日2008年4月14日
发明者内藤宏树, 琵琶刚志, 西中逸平 申请人:索尼株式会社