CN101533885A - GaN基半导体发光元件及其制造方法和驱动方法、发光元件组件、发光装置及图像显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及GaN基半导体发光元件及其制造方法和驱动方法、发光元件组件、发光装置及图像显示装置。所述GaN基半导体发光元件，包括：(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；(B)活性层；(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；(D)第一电极，电连接至第一GaN基化合物半导体层；(E)第二电极，电连接至第二GaN基化合物半导体层；(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，该杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进活性层；以及(G)层压结构或p型导电型的第三GaN基化合物半导体层。杂质扩散阻挡层和层压结构或p型导电型的第三GaN基化合物半导体层以从活性层侧的顺序被配置在活性层与第二GaN基化合物半导体层之间。
Description
相关申请的参考
本发明包含于2008年3月14日向日本专利局提交的日本专利申请第2008-066595号的主题，其全部内容结合于此，作为参考。
技术领域
本发明涉及GaN基半导体发光元件、均具有这种GaN基半导体发光元件的发光元件组件和发光装置、根据一个实施方式的这种GaN基半导体发光元件的制造方法、这种GaN基半导体发光元件的驱动方法、及具有这种GaN基半导体发光元件的图像显示装置。
背景技术
在具有由氮化镓(GaN)基化合物半导体所构成的活性层的发光元件(GaN基半导体发光元件)中，通过改变复合晶体组成或活性层的厚度能够控制带隙能量，因此，能够实现从紫外至红外的很宽的范围内的发光波长。发射各种颜色光的GaN基半导体发光元件已经被商业化，并且被用于诸如图像显示装置、照明装置、检查装置、及消毒用光源的各种应用中。此外，蓝紫色半导体激光和发光二极管(LED)也已经被开发并被用于大容量光盘的写入/读取拾取器(pickup)。
通常，GaN基半导体发光元件具有一种结构，其中，顺次堆叠n型导电型的第一GaN基化合物半导体层、活性层、以及p型导电型的第二GaN基化合物半导体层。
在相关技术中，例如，在活性层上面形成包括Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层的具有超晶格结构的第二GaN基化合物半导体层，所述超晶格结构经受了均匀掺杂或调制掺杂。这种具有超晶格结构的第二GaN基化合物半导体层的结构已经被报道具有增加空穴浓度的效果(例如，参照K.Kumakura和N.Kobayashi，Jpn.J.Appl.Phys.vol.38(1999)pp.L1012；P.Kozodoy等，Appl.Phys.Lett.75，2444(1999)；以及P.Kozodoy等，Appl.Phys.Lett.74，3681(1999))。在该技术中，通过由于应变所引起的压电效果来二维获取高空穴浓度，并且已经报道了，通过将超晶格结构的周期最优化，也能够在第二GaN基化合物半导体层的厚度方向上关于导电性获取相同的效果(即，串连电阻的降低)。
发明内容
但是，在上述超晶格结构中，活性层中的空穴浓度的增加效果不够充分，并且强烈期望用于实现更高发光效率的技术。
期望提供具有能够提高发光效率的结构的GaN基半导体发光元件、均具有这种GaN基半导体发光元件的发光组件和发光装置、根据一个实施方式的这种GaN基半导体发光元件的制造方法、这种GaN基半导体发光元件的驱动方法、以及具有这种GaN基半导体发光元件的图像显示装置。
根据本发明第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件包括(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层、(B)活性层、(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层、(D)被电连接至第一GaN基化合物半导体层的第一电极、以及(E)被电连接至第二GaN基化合物半导体层的第二电极，并且GaN基半导体发光元件包括在活性层与第二GaN基化合物半导体层之间从活性层侧顺次配置的(F)由未掺杂GaN基化合物半导体所构成的杂质扩散阻挡层(所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进入活性层)以及根据第一实施方式的(G)层压结构或根据第二实施方式的(G)p型导电型的第三GaN基化合物半导体层。
在根据第一实施方式的GaN基半导体发光元件中，层压结构包括至少一个层压单元，其中，以从活性层边的顺序堆叠了p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层。
在根据第二实施方式的GaN基半导体发光元件中，在第三GaN基化合物半导体层更接近于第二GaN基化合物半导体层的一侧至少配置一个未掺杂GaN基化合物半导体层。
根据本发明第一实施方式的发光元件组件包括根据本发明第一实施方式的GaN基半导体发光元件，所述GaN基半导体发光元件被配置在支撑构件上。此外，根据本发明第二实施方式的发光元件组件包括根据本发明第二实施方式的GaN基半导体发光元件，所述GaN基半导体发光元件被配置在支持构件上。
根据本发明第一实施方式或第二实施方式的发光装置包括(a)GaN基半导体发光元件和(b)被来自GaN基半导体发光元件的发射光激励从而发射具有与发射光不同波长的光的色彩转换材料。在根据第一实施方式的发光装置中，通过根据第一实施方式的GaN基半导体发光元件来构成GaN基半导体发光元件。在根据第二实施方式的发光装置中，通过根据第二实施方式的GaN基半导体发光元件来构成GaN基半导体发光元件。
根据本发明第一实施方式的图像显示装置包括用于显示图像的GaN基半导体发光元件，并且通过根据第一实施方式的GaN基半导体发光元件来构成GaN基半导体发光元件。此外，根据本发明第二实施方式的图像显示装置包括用于显示图像的GaN基半导体发光元件，通过根据第二实施方式的GaN基半导体发光元件来构成GaN基半导体发光元件。
当根据第一实施方式或第二实施方式的图像显示装置为彩色图像显示装置时，图像显示装置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、以及发射红光的第三发光元件。根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件应该构成第一发光元件、第二发光元件、以及第三发光元件之一(一种)。
在根据第一实施方式的GaN基半导体发光元件、根据第一实施方式的发光元件组件中的GaN基半导体发光元件、根据第一实施方式的发光装置中的GaN基半导体发光元件、或在根据第一实施方式的图像显示装置中的GaN基半导体发光元件(下文中，统一被称作“第一GaN基半导体发光元件”)中，构成层压单元的p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层可以具有相同的组分。此外，在根据第二实施方式的GaN基半导体发光元件、根据第二实施方式的发光元件组件中的GaN基半导体发光元件、根据第二实施方式的发光装置中的GaN基半导体发光元件、或在根据第二实施方式的图像显示装置中的GaN基半导体发光元件(下文中，统一被称作“第二GaN基半导体发光元件”)中，p型导电型的第三GaN基化合物半导体层和在第三GaN基化合物半导体层上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层可以具有相同的组分。
在第一GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的未掺杂GaN基化合物半导体层可以包括GaN基化合物半导体层，其组分包括铟。此外，在第二GaN基半导体发光元件中，在第三GaN基化合物半导体层上所配置的未掺杂GaN基半导体发光元件可以包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层。
在第一GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的未掺杂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型导电型的GaN基化合物半导体层具有相同组分的第一层、与第一层具有相同组分并进一步包含铟的第二层、以及与第一层具有相同组分的第三层。在这种情况下，构成层压单元的未掺杂GaN基化合物半导体层可以具有三层结构，包括：由未掺杂的GaN所构成的第一层、由未掺杂的InxGa(1-x)N(其中0<x≤0.3)构成的第二层、以及由未掺杂的GaN所构成的第三层。此外，活性层可以包括InyGa(1-y)N层，其中，x≤y。
在第二GaN基半导体发光元件中，在第三GaN基化合物半导体层上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层可以具有三层结构，包括：与p型导电型的第三GaN基化合物半导体层具有相同组分的第一层、与第一层具有相同组分并进一步包含铟的第二层、以及与第一层具有相同组分的第三层。在这种情况下，在第三GaN基化合物半导体层上所配置的掺杂GaN基化合物半导体层可以具有三层结构，包括：由未掺杂的GaN所构成的第一层、由未掺杂的InxGa(1-x)N(其中0<x≤0.3)所构成的第二层、以及由未掺杂的GaN所构成的第三层。此外，活性层可以包括InyGa(1-y)N层，其中，x≤y。
在包括上述优选实施方式以及结构的各个第一GaN基半导体发光元件中，优选地，层压结构包括1～10个层压单元。在包括上述优选实施方式和结构的每个第二GaN基半导体发光元件中，优选地，在第三GaN基化合物半导体层上配置1～10个未掺杂的GaN基化合物半导体层。
在包括上述优选实施方式以及结构的各个第一GaN基半导体发光元件中，优选地，构成层压单元的p型导电型GaN基化合物半导体层具有优选为1×1018/cm3～4×1020/cm3、并且更加优选为1×1019/cm3～2×1020/cm3的p型杂质浓度。在包括上述优选实施方式和结构的每个第二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为1×1018/cm3～4×1020/cm3、并且更加优选为1×1019/cm3～2×1020/cm3的p型杂质浓度。
此外，在包括上述优选实施方式以及结构的各个第一GaN基半导体发光元件中，构成层压单元的p型导电型的GaN基化合物半导体层的厚度可以在两原子层厚度至50nm的范围内，构成层压单元的未掺杂GaN基化合物半导体层的厚度可以在两原子层厚度至50nm的范围内，并且层压结构的厚度可以在5nm～200nm的范围内。在包括上述优选实施方式以及结构的各个第二GaN基半导体发光元件中，在第三GaN基化合物半导体层上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层的厚度可以在两原子层厚度至50nm的范围内，并且第三GaN基化合物半导体层的厚度可以在5nm～200nm的范围内。
此外，在包括上述优选实施方式和结构的各个第一GaN基半导体发光元件或第二GaN基半导体发光元件(下文中，可以被统一称作“GaN基半导体发光元件等”)中，施加于活性层的电流密度(工作电流密度)优选为50A/cm2以上，更加优选地为100A/cm2以上，再进一步优选为200A/cm2以上。
在包括上述优选实施方式和结构的GaN基半导体发光元件等中，活性层的面积优选为1×10-12m2～1×10-8m2，并且更加优选为1×10-11m2～1×10-9m2。
在包括上述优选实施方式和结构的GaN基半导体发光元件等中，GaN基发光元件的厚度优选为1×10-7m～1×10-5m，并且更加优选为1×10-6m～1×10-5m。
提供了根据本发明第一实施方式的GaN基半导体发光元件的制造方法，所述方法为制造包括根据第一实施方式的上述优选实施方式或结构的任意GaN基半导体发光元件的方法，其中，构成层压单元的未掺杂GaN基化合物半导体层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，并且所述活性层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，所述方法包括顺次形成第一GaN基化合物半导体层、活性层、杂质扩散阻挡层、层压结构、以及第二GaN基化合物半导体层，其中，在比在活性层中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层的温度更高的温度下，在构成层压单元的未掺杂GaN基化合物半导体层中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层。
提供了根据本发明第二实施方式的GaN基半导体发光元件的制造方法，所述方法为制造包括根据第二实施方式的上述优选实施方式或结构的任意GaN基半导体发光元件的方法，其中，在第三GaN基化合物半导体层上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，并且所述活性层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，所述方法包括顺次形成第一GaN基化合物半导体层、活性层、杂质扩散阻挡层、第三GaN基化合物半导体层、以及第二GaN基化合物半导体层，其中，在比在活性层中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层的温度更高的温度下，在未掺杂GaN基化合物半导体层(其配置在第三GaN基化合物半导体层上)中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层。
提供了根据本发明第一实施方式的GaN基半导体发光元件的驱动方法，所述方法为驱动包括根据第一实施方式的上述优选实施方式或结构的任意GaN基半导体发光元件的方法，所述方法包括将具有50A/cm2以上、优选为100A/cm2以上、更加优选为200A/cm2以上的电流密度(工作电流密度)的电流施加于活性层。
提供了根据本发明第二实施方式的GaN基半导体发光元件的驱动方法，所述方法为驱动包括根据第二实施方式的上述优选实施方式或结构的任意GaN基半导体发光元件的方法，所述方法包括将具有50A/cm2以上、优选为100A/cm2以上、更加优选为200A/cm2以上的电流密度(工作电流密度)的电流施加于活性层。
需要注意，GaN基半导体发光元件的工作电流密度被定义为通过将工作电流值除以活性层的面积(接合区的面积)所获取的值。即，商业用GaN基半导体发光元件具有各种封装形式，并且GaN基半导体发光元件的尺寸也依赖于应用或光量而改变。此外，标准驱动电流(工作电流)依赖于GaN基半导体发光元件的尺寸而改变。因此，很难直接比较元件之间性能对电流的依赖性。在本发明中，为了统一的目的，并不表达为驱动电流值本身，而是表达为工作电流密度，工作电流密度通过将驱动电流值除以活性层的面积(接合区的面积)而获得(测量单位：A/cm2)。
在包括根据第一实施方式或第二实施方式的优选实施方式或结构的所有GaN基半导体发光元件、发光元件组件、发光装置、GaN基半导体发光元件的制造方法、GaN基半导体发光元件的驱动方法、以及图像显示装置中，第一GaN基化合物半导体层、第二GaN基化合物半导体层以及杂质扩散阻挡层的实例包括GaN层、AlGaN层、InGaN层以及AlInGaN层。此外，就期望而言，这些化合物半导体层可以包含硼(B)原子、铊(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子以及锑(Sb)原子。例如，活性层可以具有InGaN/GaN单一量子势阱(QW)结构或InGaN/GaN多重量子势阱(MQW)结构。
在根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件的制造方法中，在发光元件形成基板上顺次形成第一GaN基化合物半导体层等。能够被使用的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、铝基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板、以及在其表面(主表面)上具有基础层或缓冲层的这些基板。在根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件、根据第一实施方式或第二实施方式的发光装置中的GaN基半导体发光元件、以及根据第一实施方式或第二实施方式的图像显示装置中的GaN基半导体发光元件中，存在允许保留发光元件形成基板的情况和最终去除发光元件形成基板的情况。需要注意，在后者的情况下，在支撑构件上设置GaN基半导体发光元件。
根据第一实施方式或第二实施方式的发光元件组件中的支撑构件的实例除了包括上述发光元件形成基板的实例之外，还包括玻璃基板、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、塑料片以及塑料膜。塑料膜的实例包括聚醚砜(PES)膜、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)膜、聚酰亚胺(PI)膜、以及聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜。支撑构件的其他实例包括粘结了任意的上述各种膜的玻璃基板、以及其上具有聚酰亚胺树脂层、丙烯酸树脂层、聚苯乙烯树脂层或硅橡胶树脂层的玻璃基板。此外，玻璃基板可以被金属基板或塑料基板替代。可替换地，可以在这些基板的表面上形成绝缘膜。构成绝缘膜的材料的实例包括：诸如氧化硅基材料、氮化硅(SiNY)以及金属氧化物高介电绝缘膜的无机绝缘材料；以及诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对乙烯苯酚(polyvinylphenol，PVP)以及聚乙烯醇(PVA)的有机绝缘材料。可以组合使用这些材料。氧化硅基材料的实例包括氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)、旋涂玻璃(SOG)、以及低介电常数SiOx基材料(诸如聚芳醚、环全氟化碳(cycloperfluorocarbon)聚合物、苯并环丁烯、环状氟碳树脂、聚四氟乙烯、氟代芳基乙醚、氟代聚酰亚胺、无定型碳以及有机SOG)。绝缘膜的形成方法的实例包括PVD法、CVD法、旋涂法、印刷法、涂层法、浸渍法、铸造法以及喷雾法。
在包括根据第一实施方式或第二实施方式的上述优选实施方式或结构的发光装置(下文中，可以被统一称作“发光装置”)中，从GaN基半导体发光元件所发射的光的实例包括可见光、紫外光、以及可见光和紫外光的组合。
在发光装置中，可以采用从GaN基半导体发光元件所发射的光为蓝光的结构，并且从色彩转换材料所发射的光至少为从由黄光、绿光以及红光组成的组中所选择的一种类型的光，并且可以采用从GaN基半导体发光元件所发射的光和从色彩转换材料所发射的光(例如，黄色；红色和绿色；黄色和红色；或绿色、黄色以及红色)被混合从而发射白光的结构。通过从GaN基半导体发光元件所发射的蓝光激励从而发射红光的色彩转换材料的具体实例包括红色发光荧光颗粒，更具体地说，(ME:Eu)S[其中，ME表示从由Ca、Sr以及Ba组成的组中所选择的至少一种原子；下文与此相同]、(M:Sm)x(Si，Al)12(O，N)16[其中，M表示从由Li、Mg以及Ca组成的组中所选择的至少一种原子；下文与此相同]、ME2Si5N8:Eu、(Ca:Eu)SiN2以及(Ca:Eu)AlSiN3。通过从GaN基半导体发光元件所发射的蓝光激励从而发射绿光的色彩转换材料的具体实例包括绿色发光荧光颗粒，更具体地说，(ME:Eu)Ga2S4、(M:RE)x(Si，Al)12(O，N)16[其中，RE表示Tb和Yb]、(M:Tb)x(Si，Al)12(O，N)16、(M:Yb)x(Si，Al)12(O，N)16以及Si6-ZAlZOZN8-Z:Eu。通过从GaN基半导体发光元件所发射的蓝光激励从而发射黄光的色彩转换材料的具体实例包括黄色发光荧光颗粒，更具体地说，YAG(钇铝石榴石)基荧光颗粒。这些色彩转换材料可以单独进行使用，或者以两种以上的混合物进行使用。当使用两种以上的色彩转换材料的混合物时，能够从色彩转换材料混合物发射除了黄色、绿色以及红色以外的色彩的光。具体地，可以采用发射青色光的结构。在这种情况下，可以使用绿色发光荧光颗粒(例如，LaPO4:Ce，Tb、BaMgAl10O17:Eu，Mn、Zn2SiO4:Mn、MgAl11O19:Ce，Tb、Y2SiO5:Ce，Tb、或MgAl11O19:CE，Tb，Mn)和蓝色发光荧光颗粒(例如，BaMgAl10O17:Eu、BaMg2Al16O27:Eu、Sr2P2O7:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、(Sr，Ca，Ba，Mg)5(PO4)3Cl:Eu、CaWO4或CaWO4:Pb)的混合物。
此外，通过从GaN基半导体发光元件所发射的紫外光激励从而发射红光的色彩转换材料的具体实例包括红色发光荧光颗粒，更具体地说，包括Y2O3:Eu、YVO4:Eu、Y(P，V)O4:Eu、3.5MgO·0.5MgF2·Ge2:Mn、CaSiO3:Pb，Mn、Mg6AsO11:Mn、(Sr，Mg)3(PO4)3:Sn、La2O2S:Eu以及Y2O2S:Eu。通过从GaN基半导体发光元件所发射的紫外光激励从而发射绿光的色彩转换材料的具体实例包括绿色发光荧光颗粒，更具体地说，包括LaPO4:Ce，Tb、BaMgAl10O17:Eu，Mn、Zn2SiO4:Mn、MgAl11O19:Ce，Tb、Y2SiO5:Ce，Tb、MgAl11O19:CE，Tb，Mn以及Si6-ZAlZOZN8-Z:Eu。通过从GaN基半导体发光元件所发射的紫外光激励从而发射蓝光的色彩转换材料的具体实例包括蓝色发光荧光颗粒，具体而言，包括BaMgAl10O17:Eu、BaMg2Al16O27:Eu、Sr2P2O7:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、(Sr，Ca，Ba，Mg)5(PO4)3Cl:Eu、CaWO4以及CaWO4:Pb。通过从GaN基半导体发光元件所发射的紫外光激励从而发射黄光的色彩转换材料的具体实例包括黄色发光荧光颗粒，具体而言，包括YAG基荧光颗粒。这些色彩转换材料可以单独进行使用，或以两种以上的混合物进行使用。当使用两种以上的色彩转换材料的混合物时，能够通过色彩转换材料混合物发射除了黄色、绿色以及红色之外的色彩的光。具体地，可以采用发射青光的结构。在这种情况下，可以使用绿色发光荧光颗粒和蓝色发光荧光颗粒的混合物。
色彩转换材料不限于荧光颗粒。色彩转换材料的其他实例包括由具有诸如二维量子势阱结构、一维量子势阱结构(量子线)或零维量子势阱结构(量子点)的量子势阱结构的间接跃迁型硅材料所构成的发光颗粒，其中，载波函数被局部化(localize)，使得像在直接跃迁型材料中一样，载流子能够被有效地转换成光，从而使用量子效果。已经报道了被添加至半导体材料的稀土原子通过壳内跃迁强烈发光，并且使用这种技术的发光颗粒也能够被使用。
包括根据第一实施方式或第二实施方式的上述优选实施方式和结构的图像显示装置的实例(下文中，可以被统一称作“图像显示装置”)包括具有下述结构的图像显示装置。除非另外指定，否则可以根据图像显示装置的规格来确定构成图像显示装置或发光元件面板的GaN基半导体发光元件的数目。此外，可以进一步根据图像显示装置的规格来提供光阀。
(1)具有第一结构的图像显示装置
无源矩阵型或有源矩阵型直视型图像显示装置，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件的发光元件面板，其中，通过控制每个GaN基半导体发光元件的发光/不发光状态来直接视觉观察每个GaN基半导体发光元件的发光状态，从而显示图像。
(2)具有第二结构的图像显示装置
无源矩阵型或有源矩阵型投影型图像显示装置，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件的发光元件面板，其中，控制每个GaN基半导体发光元件的发光/不发光状态，从而通过在屏幕上的投影来显示图像。
(3)具有第三结构的图像显示装置
彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的红色发光半导体发光元件(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件；下文中相同)的红色发光元件面板；(β)具有以二维矩阵形式所配置的绿色发光GaN基半导体发光元件的绿色发光元件面板；(γ)具有以二维矩阵形式所配置的蓝色发光GaN基半导体发光元件的蓝色发光元件面板；以及(δ)在光路上汇聚从红色发光元件面板、绿色发光元件面板以及蓝色发光元件面板所发射的光的设备(例如，二向棱镜；下文中相同)，其中，控制各个红色发光半导体发光元件、绿色发光GaN基半导体发光元件以及蓝色发光GaN基半导体发光元件的发光/不发光状态。
(4)具有第四结构的图像显示装置
图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)GaN基半导体发光元件和(β)作为用于控制从GaN基半导体发光元件所发射的光的通过/不通过的光阀的光通过控制器(例如，液晶显示设备，数字微镜设备(DMD)或硅基液晶(LCOS)设备；下文中相同)，其中，通过光通过控制器来控制从GaN基半导体发光元件所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。可以根据图像显示装置的规格来确定GaN基半导体发光元件数，并且可以为一个或两个以上。此外，将从GaN基半导体发光元件所发射的光引导至光通过控制器的设备(导光构件)的实例包括光学引导构件、微透镜阵列、反射镜、反射板以及聚光透镜。
(5)具有第五结构的图像显示装置
图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件的发光元件面板和(β)控制从GaN基半导体发光元件所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(光阀)，其中，通过光通过控制器来控制从GaN基半导体发光元件所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
(6)具有第六结构的图像显示装置
彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维阵列形式所配置的红色发光半导体发光元件的红色发光元件面板和控制从红色发光元件面板所发射的光的通过/不通过的红色光通过控制器(光阀)；(β)具有以二维阵列形式所配置的绿色发光GaN基半导体发光元件的绿色发光元件面板和控制从绿色发光元件面板所发射的光的通过/不通过的绿色光通过控制器(光阀)；(γ)具有以二维阵列形式所配置的蓝色发光GaN基半导体发光元件的蓝色发光元件面板和控制从蓝色发光元件面板所发射的光的通过/不通过的蓝色光通过控制器(光阀)；以及(δ)在光路上汇聚通过红色光通过控制器、绿色光通过控制器以及蓝色光通过控制器所通过的光的设备，其中，通过相应的光通过控制器来控制从每个发光元件面板所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
(7)具有第七结构的图像显示装置
场序彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)红色发光半导体发光元件；(β)绿色发光GaN基半导体发光元件；(γ)蓝色发光GaN基半导体发光元件；(δ)在光路上汇聚从红色发光半导体发光元件、绿色发光GaN基半导体发光元件以及蓝色发光GaN基半导体发光元件所发射的光的设备；以及(ε)在光路上控制从汇聚光的设备所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(光阀)，其中，通过光通过控制器来控制从每个发光元件所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
(8)具有第八结构的图像显示装置
场序彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维阵列形式所配置的红色发光半导体发光元件的红色发光元件面板；(β)具有以二维阵列形式所配置的绿色发光GaN基半导体发光元件的绿色发光元件面板；(γ)具有以二维阵列形式所配置的蓝色发光GaN基半导体发光元件的蓝色发光元件面板；(δ)在光路上汇聚从红色发光元件面板、绿色发光元件面板以及蓝色发光元件面板所发射的光的设备；以及(ε)在光路上控制从汇聚光的设备所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(光阀)，其中，通过光通过控制器来控制从每个发光元件面板所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
(9)具有第九结构的图像显示装置
无源矩阵型或有源矩阵型直视型彩色图像显示装置，包括第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件，其中，通过控制每个发光元件的发光/不发光状态来直接视觉观察每个发光元件的发光状态，从而显示图像。
(10)具有第十结构的图像显示装置
无源矩阵型或有源矩阵型投影型彩色图像显示装置，包括第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件，其中，控制每个发光元件的发光/不发光状态，从而通过在屏幕上的投影来显示图像。
(11)具有第十一结构的图像显示装置
场序彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括以二维矩阵形式所配置的发光元件单元和控制从发光元件单元所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(光阀)，其中，通过分时来控制第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件各自的发光/不发光状态，并且通过光通过控制器来控制从第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
在根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件的制造方法中，为了防止对于活性层的热破坏的发生，优选地，满足关系TMAX<1,350-0.75λ，更优选地，满足关系TMAX<1,250-0.75λ，其中，TMAX(℃)为在层压单元中或在第三GaN基化合物半导体层上和在第三GaN基化合物半导体层中的各个未掺杂GaN基化合物半导体层的晶体生长的最高生长温度，并且λ为活性层的发光波长。用于形成由GaN基化合物所构成的各种层的方法的实例包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、MBE、以及卤素有助于传输或反应的氢化物气相沉积。
在MOCVD中，就有机镓源气体而言，可以使用三甲基镓(TMG)气体或三乙基镓(TEG)气体，并且作为氮源气体，可以使用氨气或联氨气。在n型导电型的GaN基化合物半导体层的形成中，例如，可以添加硅(Si)作为n型杂质(n型掺杂剂)。在p型导电型的GaN基化合物半导体层的形成中，例如，可以添加镁(Mg)作为p型杂质(p型掺杂剂)。此外，当GaN基化合物半导体层包括铝(Al)或铟(In)作为构成原子时，可以使用三甲基铝(TMA)气体来作为Al源，并且可以使用三甲基铟(TMI)气体作为In源。此外，可以使用硅甲烷气体(SiH4气体)作为Si源，并且可以使用茂基镁气体、甲基环戊二烯镁、或二(茂基)镁(Cp2Mg)作为Mg源。此外，除了Si之外，n型杂质(n型掺杂剂)的实例包括Ge、Se、Sn、C以及Ti。除了Mg之外，p型杂质(p型掺杂剂)的实例包括Zn、Cd、Be、Ca、Ba以及O。
电连接至p型导电型的第二GaN基化合物半导体层的第二电极(或在接触层上所配置的第二电极)优选具有至少包括从由钯(Pd)、铂(Pt)、镍(Ni)、铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)以及银(Ag)组成的组中所选择的一种金属的单层结构或多层结构。可替换地，可以使用诸如氧化铟锡(ITO)的透明导电材料。具体地，优选使用能够高效反射光的银(Ag)、Ag/Ni或Ag/Ni/Pt。另一方面，被电连接至n型导电型的第一GaN基化合物半导体层的第一电极优选具有至少包括从由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)以及铟(In)组成的组中所选择的一种金属的单层结构或多层结构。其实例包括Ti/Au、Ti/Al以及Ti/Pt/Au。可以通过诸如真空沉积或溅射的物理气相沉积(PVD)来形成第一电极和第二电极。第一电极被电连接至第一GaN基化合物半导体层，并且第一电极可以配置在第一GaN基化合物半导体层上，或可以通过导电材料层连接至第一GaN基化合物半导体层。类似地，第二电极电连接至第二GaN基化合物半导体层，并且第二电极可以配置在第二GaN基化合物半导体层上，或可以通过导电材料层连接至第二GaN基化合物半导体层。
为了实现与外部电极或电路的电连接，可以在第一电极和第二电极的每一个上提供垫电极(pad electrode)。垫电极优选具有至少包括从由钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)以及镍(Ni)组成的组中所选择的一种金属的单层结构或多层结构。垫电极可以具有诸如Ti/Pt/Au或Ti/Au的多层结构。
可以通过控制驱动电流的脉冲宽度、驱动电流的脉冲密度、或通过两者的组合、以及除此之外还通过控制驱动电流的峰电流值来控制GaN基半导体发光元件的发光量(亮度)。这样做的原因为：驱动电流的峰电流值的改变仅对GaN基半导体发光元件的发光波长有轻微的影响。
具体地，将描述一个实例，其中，在GaN基半导体发光元件中，I0表示对于某个发光波长λ0的驱动电流的峰电流值，P0表示驱动电流的脉冲宽度，并且T0P表示GaN基半导体发光元件等的一个工作周期或者在根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件的驱动方法中的一个工作周期。在这种情况下，(1)通过控制(调节)驱动电流的峰电流值I0，能够控制来自GaN基半导体发光元件的发光量(亮度)；以及(2)通过控制驱动电流的脉冲宽度P0(驱动电流的脉冲宽度控制)，能够控制来自GaN基半导体发光元件的发光量(明度或亮度)；以及/或(3)通过控制GaN基半导体发光元件的一个工作周期T0P中具有脉冲宽度P0的脉冲数(脉冲密度)(驱动电流的脉冲密度控制)，能够控制来自GaN基半导体发光元件的发光量(明度或亮度)。
通过用于GaN基半导体发光元件的驱动电路，能够实现上述对来自GaN基半导体发光元件的发光量的控制，所述驱动电路包括：(a)脉冲驱动电流供给单元，为GaN基半导体发光元件提供脉冲驱动电流；(b)脉冲驱动电流设定单元，设定驱动电流的脉冲宽度和脉冲密度；以及(c)设定峰电流值的单元。
在所有GaN基半导体发光元件、发光元件组件、发光装置、GaN基半导体发光元件的制造方法、GaN基半导体发光元件的驱动方法、以及包括根据第一实施方式或第二实施方式的优选实施方式或结构的图像显示装置中，GaN基半导体发光元件可以具有面朝上的结构(即，从第二GaN基化合物半导体层中发射通过活性层所生成的光的结构)或倒装结构(即，从第一GaN基化合物半导体层中发射通过活性层所生成的光的结构)。此外，例如，GaN基半导体发光元件可以被设计成炮弹型元件或面安装型元件。
GaN基半导体发光元件的具体实例包括发光二极管(LED)以及半导体激光器(LD)。GaN基半导体发光元件的结构和构成并没有具体限制，只要其多层结构具有发光二极管结构或激光器结构。此外，除了上述包括GaN基半导体发光元件和色彩转换材料的发光装置和图像显示装置(直视型或投影型)之外，根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件还可以应用于平面光源设备(背光)；包括彩色液晶显示设备组件的液晶显示设备组件；各种彩色照明的光源；显示器；诸如汽车、电车、轮船以及飞行器的运输设备的照明配件和灯(例如，头灯、尾灯、高位刹车灯(highmounted stop light)、小灯、转向信号灯、雾灯、室内照明灯、仪表盘灯、在各种按钮中所提供的光源、目的地灯、紧急照明灯以及紧急出口导向灯)；建筑物中的各种照明配件和灯(例如，户外灯、室内灯、照明设备、紧急照明灯以及紧急出口导向灯)；路灯；在交通信号、广告显示、机械以及装置中的各种指示照明配件；在隧道、地下通道等中的照明灯和照明部；在诸如生物显微镜的各种试验装置中的特殊照明；杀菌用灯；与光催化剂所组成的消毒杀菌器；用于摄影和半导体平版印刷的曝光设备；以及用于调制光从而通过空间、光纤或波导管来传输信息的设备。
当根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件被应用于平面光源设备时，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以及发射红光的第三发光元件，并且根据第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件能够构成第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件中的至少之一(一种)。本发明不限制于此。可以通过根据本发明任意实施方式的一种或两种以上的发光装置来构成平面光源设备中的光源。第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件各自的数目可以为一个或两个以上。平面光源设备可以为以下两种类型的平面光源设备(背光)之一：例如在日本未审查实用新型注册申请公开第63-187120号或日本未审查专利申请公开第2002-277870号中所披露的直视型平面光源设备，以及例如在日本未审查专利申请公开第2002-131552号中所披露的边缘光型(也被称作“侧光型”)平面光源设备。GaN基半导体发光元件的数目基本上是任意的，并且可以根据平面光源设备的规格来确定。第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件被配置为面对液晶显示设备并且在液晶显示设备与各个第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件之间放置扩散板、包括扩散片、棱镜片和偏光转换片的光学功能片组、以及反射片。
根据本发明的第一实施方式或第二实施方式的GaN基半导体发光元件包括含至少一个层压单元的层压结构，该层压单元中，堆叠有p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂GaN基化合物半导体层；或者包括第三GaN基化合物半导体层，在其更接近于第二GaN基化合物半导体层的一侧配置了至少一个未掺杂的GaN基化合物半导体层。因此，能够在GaN基半导体发光元件中实现更高的发光效率。
附图说明
图1A是示出了实施例1中的GaN基半导体发光元件的示意性局部截面图，并且图1B示出了包括在实施例1中的GaN基半导体发光元件的第一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)、第二GaN基化合物半导体层等的结构；
图2是示出了在GaN基半导体发光元件性能的评价过程中的GaN基半导体发光元件的概念图；
图3示出了在实施例2中的GaN基半导体发光元件的结构，包括第一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)、第二GaN基化合物半导体层等；
图4A是示出了在实施例1和比较例1的各自的工作电流密度(A/cm2)和发光效率(W/A)之间的关系的示图，并且图4B示出了在实施例2和比较例2的各自的工作电流密度(A/cm2)和发光效率(W/A)之间的关系的示图；
图5是示出了有关测量发光效率的结果的示图，这些测量针对包括分别具有1.5nm、3nm以及6nm的厚度的第二层(其构成层压结构)的实施例2的GaN基半导体发光元件，以及针对第二层(其构成层压结构)的厚度被设定为0nm的GaN基半导体发光元件；
图6是实施例3中的发光元件组件的示意性局部截面图；
图7A和图7B是概念图，每个都示出了GaN基半导体发光元件等的截面图，并且示出了实施例3中的发光元件组件的制造方法中的步骤；
图8A和图8B是概念图，每个都示出了GaN基半导体发光元件等的截面图，并且示出了实施例3中的发光元件组件的制造方法中在图7B所示的步骤之后的步骤；
图9A和图9B是概念图，每个都示出了GaN基半导体发光元件等的截面图，并且示出了实施例3中的发光元件组件的制造方法中在图8B所示的步骤之后的步骤；
图10A和图10B是概念图，每个都示出了GaN基半导体发光元件等的截面图，并且示出了实施例3中的发光元件组件的制造方法中在图9B所示的步骤之后的步骤；
图11A和图11B是概念图，每个都示出了GaN基半导体发光元件等的截面图，并且示出了实施例3中的发光元件组件的制造方法中在图10B所示的步骤之后的步骤；
图12A示出了实施例6中的无源矩阵型直视型图像显示装置(具有第一结构的图像显示装置-A)的电路图，并且图12B是示出了以二维矩阵形式配置了GaN基半导体发光元件的发光元件面板的示意性截面图；
图13是示出了实施例6中的有源矩阵型直视型图像显示装置(具有第一结构的图像显示装置-B)的电路图；
图14是示出了包括具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件的发光元件面板的投影型图像显示装置(具有第二结构的图像显示装置)的概念图；
图15是示出了包括红色发光元件面板、绿色发光元件面板以及蓝色发光元件面板的投影型彩色图像显示装置(具有第三结构的图像显示装置)的概念图；
图16是示出了包括GaN基半导体发光元件和光通过控制器的投影型图像显示装置(具有第四结构的图像显示装置)的概念图；
图17是示出了包括三组GaN基半导体发光元件和三组光通过控制器的投影型彩色图像显示装置(具有第四结构的图像显示装置)的概念图；
图18是示出了包括发光元件面板和光通过控制器的投影型图像显示装置(具有第五结构的图像显示装置)的概念图；
图19是示出了包括三组GaN基半导体发光元件和三组光通过控制器的投影型彩色图像显示装置(具有第六结构的图像显示装置)的概念图；
图20是示出了包括三组GaN基半导体发光元件和光通过控制器的投影型彩色图像显示装置(具有第七结构的图像显示装置)的概念图；
图21是示出了包括三组发光元件面板和光通过控制器的投影型彩色图像显示装置(具有第八结构的图像显示装置)的概念图；
图22是实施例4中的有源矩阵型投影型彩色图像显示装置(具有第九或第十结构的图像显示装置)的概念图；
图23A是示出了在实施例6的平面光源设备中的发光元件的配置的示意图，并且图23B是平面光源设备和彩色液晶显示设备组件的示意性局部截面图；
图24是彩色液晶显示设备的示意性局部截面图；
图25是示出了实施例7的彩色液晶显示设备组件的概念图；以及
图26是比较例1的GaN基半导体发光元件的示意性局部截面图。
具体实施方式
将参照附图根据实施例来描述本发明的实施方式。
实施例1
实施例1涉及根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的GaN基半导体发光元件以及根据本发明第一实施方式和第二实施方式的GaN基半导体发光元件的驱动方法。图1A是示出了实施例1中的GaN基半导体发光元件的示意性局部截面图，并且图1B示出了包括第一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)、第二GaN基化合物半导体层等的结构。
实施例1中的GaN基半导体发光元件(具体而言，发光二极管)1包括：(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层21；(B)活性层23；(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层22；(D)电连接至第一GaN基化合物半导体层21的第一电极31；以及(E)电连接至第二GaN基化合物半导体层22的第二电极32。
GaN基半导体发光元件1进一步包括在活性层23与第二GaN基化合物半导体层22之间以从活性层侧的顺序所配置的(F)由未掺杂GaN基化合物半导体所构成的杂质扩散阻挡层24(所述杂质扩散阻挡层24防止p型杂质扩散进活性层23中)以及(G)根据第一实施方式的层压结构40或(G)根据第二实施方式的p型导电型的第三GaN基化合物半导体层50。
根据第一实施方式，层压结构40包括至少一个层压单元41，其中，以从活性层侧的顺序堆叠了p型导电型的GaN基化合物半导体层42和未掺杂GaN基化合物半导体层43。具体地，在实施例1中，层压结构40包括两个层压单元41。
根据第二实施方式，在第三GaN基化合物半导体层50更接近于第二GaN基化合物半导体层22的一侧至少配置一层未掺杂的GaN基化合物半导体层53。在实施例1中，提供了两层未掺杂的GaN基化合物半导体层53。
在实施例1中，构成层压单元41的p型导电型的GaN基化合物半导体层42和未掺杂的GaN基化合物半导体层43具有相同的组分，即，GaN。同时，p型导电型的第三GaN基化合物半导体层50和在第三GaN基化合物半导体层50上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层53具有相同的组分，即，GaN。构成层压单元41的p型导电型的GaN基化合物半导体层42的p型杂质浓度或第三GaN基化合物半导体层50的p型杂质浓度为1×1018/cm3～4×1020/cm3，具体地，为5×1019/cm3。
此外，构成层压单元41的p型导电型的GaN基化合物半导体层42的厚度为5nm，构成层压单元41的未掺杂GaN基化合物半导体层43的厚度(或者，在第三GaN基化合物半导体层50上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层53的厚度)为13nm，并且层压结构40的厚度(或者，第三GaN基化合物半导体层50的厚度)为36nm(＝18nm×2)。此外，活性层23的面积为4×10-10m2，并且GaN基半导体发光元件1的厚度为5×10-6m。在图中，参考数字10表示发光元件形成基板，并且参考数字11表示包括缓冲层和在其上所配置的未掺杂的GaN层的基础层。
在实施例1中的GaN基半导体发光元件1中，向活性层23施加具有50A/cm2以上、优选为100A/cm2以上、更加优选为200A/cm2以上的电流密度(工作电流密度)的电流。
下面，将描述实施例1中的GaN基半导体发光元件的制造方法。
[步骤-100]
首先，主表面为C形面的蓝宝石基板被用作发光元件形成基板10。发光元件形成基板10在由氢气所构成的载气中在1050℃的基板温度下被清洁l0分钟，随后，基板温度被降低至500℃。通过利用MOCVD(其中，提供作为镓源的三甲基镓(TMG)气体，同时，提供作为氮源的氨气)在发光元件形成基板10上的晶体生长来形成由30nm厚的低温GaN所构成的缓冲层，随后，停止TMG气体的供应。在基板温度增加至1020℃后，重新开始提供TMG气体。因此，通过在缓冲层上的晶体生长形成了厚度为1μm的未掺杂GaN层。从而，获取了基础层11。随后，开始提供作为硅源的硅甲烷气体(SiH4气体)。因此，通过在构成基础层11的未掺杂GaN层上的晶体生长形成了由3μm厚的Si掺杂GaN(GaN:Si)所构成的n型导电型第一GaN基化合物半导体层21。掺杂浓度约为5×1018/cm3。
[步骤-110]
随后，停止提供TMG气体和SiH4气体，载气由氢气切换为氮气，并且基板温度被降低至750℃。三乙基镓(TEG)被用作Ga源，并且三甲基铟(TMI)被用作In源。通过切换阀，提供这些气体。从而，形成了具有包括由InGaN所构成阱层和由GaN所构成的势垒层的多量子阱结构的活性层23。基板温度可以在晶体生长期间内波动。例如，阱层中的In的组分比例为0.23，相应于520nm的光发射波长λ。可以根据所期望的光发射波长来确定阱层中的In的组分比例。此处，阱层数为5，并且势垒层数为4。
[步骤-120]
在完成了具有多量子阱结构的活性层23的形成后，生长5nm厚的由未掺杂GaN所构成的杂质扩散阻挡层24，同时将基板温度提高至800℃。
[步骤-130]
随后，将基板温度维持在800℃，开始提供作为Mg源的双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)气体。因此，生长了5nm厚的p型导电型的GaN基化合物半导体层42(确切地说，Mg掺杂GaN层42)。接下来，在停止提供Cp2Mg气体的状态下，生长13nm厚的未掺杂GaN基化合物半导体层43(确切地说，未掺杂GaN层43)。通过这种方式，重复两次生长5nm厚的Mg掺杂GaN层42和13nm厚的未掺杂GaN层43。Mg的掺杂浓度约为5×1019/cm3。从而，能够获取包括至少一个层压单元41(其中，以从活性层侧的顺序堆叠了p型导电型的GaN基化合物半导体层42和未掺杂的GaN基化合物半导体层43)的层压结构40。可替换地，能够获取在更接近于第二GaN基化合物半导体层22的一侧上具有至少一层未掺杂的GaN基化合物半导体层53(未掺杂GaN层53)的第三GaN基化合物半导体层50。
[步骤-140]
随后，停止提供TEG气体和Cp2Mg气体，载气由氮气切换为氢气，并且基板温度升高至850℃。通过开始提供TMG气体和Cp2Mg气体，通过晶体生长形成了厚度为100nm由Mg掺杂GaN(GaN:Mg)所构成的第二GaN基化合物半导体层22。掺杂浓度约为5×1019/cm3。随后，通过晶体生长形成了由InGaN所构成的接触层(未示出)。停止提供TMG气体和Cp2Mg气体，并且降低基板温度。在基板温度为600℃时，停止提供氨气，并且基板温度被降低至室温，完成晶体生长。
关于活性层23的生长之后的基板温度Tmax，满足关系TMAX<1,350-0.75λ(℃)，优选地，满足关系TMAX<1,250-0.75λ(℃)。通过使用这种活性层23的生长之后的基板温度TMAX，如日本未审查专利申请公开第2002-319702号中所述，能够防止活性层23被热破坏。
[步骤-150]
在完成晶体生长之后，在氮气气氛中，在800℃下执行10分钟退火处理，从而激活p型杂质(p型掺杂剂)。
[步骤-160]
随后，如普通的LED晶片处理和芯片形成处理一样，形成保护膜(没有示出)，通过平版印刷、蚀刻以及金属气相沉积来形成第二电极32和第一电极31，并且通过切割、随后的树脂模制和封装来形成芯片。因此，能够制成实施例1中的GaN基半导体发光元件1(例如，诸如炮弹型发光二极管和面安装形发光二极管的各种类型的任何发光二极管)。
在比较例1中，制成GaN基半导体发光元件，其中，没有形成层压结构40(或者包括未掺杂GaN基化合物半导体层53的第三GaN基化合物半导体层50)，在杂质扩散阻挡层24上直接形成第二GaN基化合物半导体层22(参照图26)。
关于实施例1或实施例2(将在下文中描述)以及比较例1的各自的GaN基半导体发光元件，为了评价目的，使用平版印刷和蚀刻，使第一GaN基化合物半导体层21局部暴露，在第二GaN基化合物半导体层22上形成由Ag/Ni所构成的第二电极32，并且在第一GaN基化合物半导体层21上形成由Ti/Al所构成的第一电极31。将探针与第一电极和第二电极接触。对发光元件施加驱动电流，并且检测从发光元件形成基板10的背表面所发射的光。图2是示出了评价处理的概念图，其中，省略了层压结构等。
图4A示出了在实施例1和比较例1中各自的工作电流密度(A/cm2)与发光效率(W/A)之间的关系的示图。从图中可以明显看出，在相同工作电流密度下，与比较例1相比，实施例1的发光效率明显提高。在从普通LED工作电流密度(30A/cm2)至高工作电流密度(300A/cm2)的整个工作电流密度范围内可以确保发光效率的增加。在实施例1和比较例1或下面所描述的实施例2中，发光波长均为520nm。
如上所述，通过如实施例1中一样在活性层23和第二GaN基化合物半导体层22之间形成具有未掺杂GaN基化合物半导体层43的层压结构40(或包括未掺杂GaN基化合物半导体层53的第三GaN基化合物半导体层50)，推测活性层中的空穴浓度增大，因此能够在低工作电流密度至高工作电流密度的范围内实现高发光效率。
实施例2
实施例2涉及实施例1中的GaN基半导体发光元件的修改，并且涉及根据本发明第一实施方式和第二实施方式的GaN基半导体发光元件的制造方法。
图3示出了包括第一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)、第二GaN基化合物半导体层等的结构。在实施例2中的GaN基半导体发光元件1中，构成层压单元141的未掺杂GaN基化合物半导体层143包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层(具体地，InGaN层)，或者在第三GaN基化合物半导体层150上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层153包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层(具体地，InGaN层)。
可替换地，构成层压单元141的未掺杂GaN基化合物半导体层143具有三层结构，包括：具有与构成层压单元141的p型导电型的GaN基化合物半导体层42相同组分的第一层143A；具有与第一层143A相同组分并进一步包含铟的第二层143B；以及具有与第一层143A相同组分的第三层143C。具体地，构成层压单元141的未掺杂GaN基化合物半导体层143具有三层结构，包括：由未掺杂GaN所构成的第一层143A；由未掺杂InxGa(1-x)N(其中0<x≤0.3)所构成的第二层143B；以及由未掺杂GaN所构成的第三层143C。此外，活性层23包括InyGa(1-y)N层，并且x≤y。
同时，在第三GaN基化合物半导体层150上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层153具有三层结构，包括：具有与p型导电型的第三GaN基化合物半导体层150相同组分的第一层153A；具有与第一层153A相同组分并进一步包含铟的第二层153B；以及具有与第一层153A相同组分的第三层153C。具体地，在第三GaN基化合物半导体层150上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层153具有三层结构，包括：由未掺杂GaN所构成的第一层153A；由未掺杂InxGa(1-x)N(其中0<x≤0.3)所构成的第二层153B；以及由未掺杂GaN所构成的第三层153C。此外，活性层23包括InyGa(1-y)N层，并且x≤y。
具体而言，在实施例2中，x＝0.23，y＝0.20。另外，通过在比在活性层23中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层(具体地，阱层)的温度更高的温度下，在构成层压单元141的未掺杂GaN基化合物半导体层143中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层(第二层143B)，能够实现In含量的差异。可替换地，通过在比在活性层23中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层(具体地，阱层)的温度更高的温度下，在第三GaN基化合物半导体层150上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层153中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层(第二层153B)，能够实现In含量的差异。当满足关系x≤y时，第二层143B或153B的带隙增大，结果，在活性层23中所生成的光比较不容易被第二层143B或153B吸收。
下面，将描述在实施例2中的GaN基半导体发光元件的制造方法。所得的GaN基半导体发光元件1整体上具有与图1A中所示实质上相同的结构。
[步骤-200]
首先，如实施例1的[步骤-100]中一样，在发光元件形成基板10上形成基础层11和第一GaN基化合物半导体层21。此外，如实施例1的[步骤-110]～[步骤-120]中一样，形成活性层23和杂质扩散阻挡层24。
[步骤-210]
接下来，通过开始提供Cp2Mg气体作为Mg源，生长5nm厚的p型导电型的GaN基化合物半导体层42(具体地，Mg掺杂GaN层42)或第三GaN基化合物半导体层150。接下来，在停止提供Cp2Mg气体的状态下，生长5nm厚的未掺杂GaN基化合物半导体层(具有与构成层压单元141的p型导电型GaN基化合物半导体层42相同组分的第一层143A或具有与p型导电型的第三GaN基化合物半导体层150相同组分的第一层153A)。随后，通过启动提供三甲基铟(TMI)气体作为In源，生长3nm厚的InGaN层(具有与第一层143A相同的组分并进一步包含铟的第二层143B，或具有与第一层153A相同组分并进一步包含铟的第二层153B)。接下来，在停止提供TMI气体的状态下，生长5nm厚的GaN层143C(具有与第一层143A相同组分的第三层143C或具有与第一层153A相同组分的第三层153C)。需要注意，在第一层143A或153A、第二层143B或153B、以及第三层的生长期间的基板温度被设定为760℃。这个温度高于在活性层23生长期间的基板温度750℃。结果，由InGaN所构成的第二层143B或153B中的In的组分比例为0.2。Mg的掺杂浓度约为5×1019/cm3。
通过这种方式，在比在活性层23中形成组分包含铟的GaN基化合物半导体层的温度(具体地，实施例2中为750℃)更高的温度(具体地，实施例2中为760℃)下，在构成层压单元141的未掺杂GaN基化合物半导体层143中形成了组分包含铟的GaN基化合物半导体层(第二层143B)，或者在第三GaN基化合物半导体层150上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层153中形成了组分包含铟的GaN基化合物半导体层(第二层153B)。
重复两次生长厚度为5nm的Mg掺杂GaN层42和厚度为13nm的未掺杂GaN基化合物半导体层143。从而，能够获取包括至少一个层压单元141的层压结构140，在该层压单元中，以从活性层侧的顺序堆叠了p型导电型的GaN基化合物半导体层42和未掺杂的GaN基化合物半导体层143。可替换地，能够获取具有至少一层未掺杂GaN基化合物半导体层153(未掺杂GaN层153)的第三GaN基化合物半导体层150。
[步骤-220]
随后，通过执行与实施例1的[步骤-140]～[步骤-160]相同的步骤，能够制成实施例2中的GaN基半导体发光元件1(例如，诸如炮弹型发光二极管和面安装型发光二极管的各种类型的任何发光二极管)。
图4B是示出了实施例2和比较例1的各自的工作电流密度(A/cm2)与发光效率(W/A)之间的关系的示图。从图中可以明显看出，在相同工作电流密度下实施例2具有与实施例1和比较例1相比进一步增加的发光效率。在从普通LED工作电流密度(30A/cm2)至高工作电流密度(300A/cm2)的整个工作电流密度范围内可以确保发光效率的增加。
在实施例2中，构成层压单元141的未掺杂GaN基化合物半导体层143包括被配置的组分包含铟的GaN基化合物半导体层(第二层143B)，或者在第三GaN基化合物半导体层153上所配置的未掺杂GaN基化合物半导体层153包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层(第二层153B)。这个第二层143B或153B因为其组分包含铟而具有比第一层143A或153A以及第三层143C或153C更窄的带隙，因此，能够保持高空穴浓度。结果，能够进一步提高活性层中的空穴浓度。因此，在实施例2的GaN基半导体发光元件1中，能够在与实施例1相同的工作电流密度下实现更高的发光效率。
在实施例2中，测量了包括厚度分别为1.5nm、3nm以及6nm的第二层143B或153B的GaN基半导体发光元件的发光效率。也测量了第二层143B或153B的厚度被设定为0nm的GaN基半导体发光元件(这个GaN基半导体发光元件具有实质上与实施例1中所描述的GaN基半导体发光元件相同的结构)的发光效率。图5的示图中示出了测量结果。与第二层143B或153B的厚度为0nm(图中通过空心菱形所描绘的曲线)的情况相比，第二层143B或153B的厚度被设定为1.5nm(通过空心三角形所描绘的曲线)的情况、第二层143B或153B的厚度被设定为3nm(通过叉形标记所描绘的曲线)的情况、以及第二层143B或153B的厚度被设定为6nm(通过加号所描绘的曲线)的情况都具有增大的发光效率。根据图5所示的结果，相信第二层143B或153B的最佳厚度为1nm～5nm。
实施例3
实施例3涉及根据本发明第一实施方式和第二实施方式的发光元件组件以及根据本发明第一实施方式和第二实施方式的图像显示装置。
图6示出了实施例3中的发光元件组件的示意性局部截面图。如图6所示，发光元件组件包括支撑构件和在支撑构件上所配置的上述实施例1或实施例2的GaN基半导体发光元件。在图6中，在位置关系方面，GaN基半导体发光元件和支撑构件被垂直反转。此外，实施例3的图像显示装置包括实施例1或实施例2的GaN基半导体发光元件或实施例3的发光元件组件以显示图像。
将参照图7A、图7B、图8A、图8B、图9A、图9B、图10A、图10B、图11A以及图11B来描述实施例3的发光元件组件的制造方法。
[步骤-300]
首先，执行与实施例1的[步骤-100]～[步骤-150]相同的步骤，并且执行与实施例1的[步骤-160]相同的步骤，直至通过平版印刷、蚀刻以及金属气相沉积形成了第二电极32。可替换地，执行与实施例2的[步骤-200]～[步骤-220]相同的步骤(直至在[步骤-220]中通过平版印刷、蚀刻以及金属气相沉积形成了第二电极32)。从而，能够获取图7A中所示的具有梯形截面的GaN基半导体发光元件。
[步骤-310]
接下来，GaN基半导体发光元件1通过其间的第二电极32被临时固定至临时固定基板60上。具体地，由在其表面上具有粘结层61的玻璃基板所构成的临时固定基板60被制备，由未固化粘合剂来构成粘结层61。GaN基半导体发光元件1和粘结层61被粘合在一起，并且固化粘结层61。因此，GaN基半导体发光元件1能够被临时固定在临时固定基板60上(参照图7B和8A)。
[步骤-320]
随后，从发光元件形成基板10上脱去GaN基半导体发光元件1(参照图8B)。具体地，通过从背面研磨来减小发光元件形成基板10的厚度。接下来，发光元件形成基板10和基础层11进行湿蚀刻。从而去除发光元件形成基板10和基础层11，暴露出每个GaN基半导体发光元件1的第一GaN基化合物半导体层21。
构成临时固定基板60的材料的实例除了玻璃基板之外还包括金属板、合金板、陶瓷板以及塑料板。用于将GaN基半导体发光元件临时固定至临时固定基板60的方法的实例除了使用粘合剂的方法之外还包括金属粘结法、半导体粘结法以及金属-半导体粘结法。用于从GaN基半导体发光元件上去除发光元件形成基板10等的方法的实例除了蚀刻之外还包括激光消融和热处理法。
[步骤-330]
接下来，在所暴露的第一GaN基化合物半导体层21的底表面上形成第一电极31。具体地，使用平版印刷，在整个表面上形成抗蚀层，并且在即将形成第一电极31的第一GaN基化合物半导体层21的底表面上的部分处的抗蚀层中形成开口。接下来，通过诸如真空沉积或溅射的PVD法在整个表面上形成由包括例如以如下顺序所堆叠的Au/Pt/Ti/Au/AuGe/Pd的多层膜所构成的第一电极31，随后，去除抗蚀层和抗蚀层上的多层膜。
[步骤-340]
制备具有由在其上的硅橡胶所构成的微粘结层71的中继基板70，以及由具有通过在预先确定的位置处所形成的金属薄膜等所构成的对准标记(没有示出)和具有通过在其表面上的未固化光敏树脂所构成的粘结层81的玻璃基板所构成的安装基板80。
粘结层81可以基本上由任意材料构成，只要所述材料通过某个方法表现出粘结性能，例如，通过诸如光(具体地，紫外光等)、射线(例如，X射线)或电子束的能量射线的辐射表现出粘结性能的材料；或者通过加热、施加压力等表现出粘结性能的材料。能够轻松形成粘结层并且表现出粘结性能的材料的实例包括树脂系粘合剂，具体地说，光敏粘合剂、热固性粘合剂以及热塑性粘合剂。例如，当使用光敏粘合剂时，通过用光或紫外光辐射粘结层或通过加热粘结层，能够表现出粘结性能。当使用热固性粘合剂时，通过利用光辐射来加热粘结层，能够表现出粘结性能。当使用热塑性粘合剂时，通过利用光辐射等选择性加热来选择性融化粘结层的部分，因此，能够赋予其流动性。作为另一个实例，可以使用压敏粘结层(由丙烯酸树脂所构成)。
接下来，微粘结层71被按压至在临时固定基板60上保留阵列形式(二维矩阵形式)的GaN基半导体发光元件1(参照图9A和图9B)。构成中继基板70的材料的实例包括玻璃板、金属板、合金板、陶瓷板、半导体基板以及塑料板。通过定位装置(没有示出)来保持中继基板70。通过定位装置的操作能够控制中继基板70与临时固定基板60之间的位置关系。接下来，例如，从临时固定基板60的背面侧施加准分子激光至待安装的GaN基半导体发光元件1(参照图10A)。因此，进行激光消融，使得从临时固定基板60上脱去通过准分子激光所辐射的GaN基半导体发光元件1。随后，将中继基板70与GaN基半导体发光元件1分离，使得从临时固定基板60所脱去的GaN基半导体发光元件1被粘结至微粘结层71(参照图10B)。
接下来，GaN基半导体发光元件1被置于(移动或转移至)粘结层81上(参照图11A和11B)。具体地，根据在安装基板80上所配置的对准标记，GaN基半导体发光元件1被从中继基板70转移至安装基板80上的粘结层81上。GaN基半导体发光元件1仅微弱地与微粘结层71粘结。因此，当随着GaN基半导体发光元件1与粘结层81接触(按压在其上)、在远离安装基板80的方向上移动中继基板70时，GaN基半导体发光元件1留在粘结层81上。此外，通过使用辊子等将GaN基半导体发光元件1深深嵌入粘结层81，能够在安装基板80上安装GaN基半导体发光元件(发光二极管)。
方便起见，如上所述使用中继基板70的方法被称作“分步转移法”。通过将分步转移法重复所期望的次数，所期望数目的GaN基半导体发光元件1以二维矩阵形式粘结至微粘结层71，并且被转移在安装基板80上。具体地，在实施例3中，在一个分步转移处理中，二维矩阵形式的160×120个GaN基半导体发光元件1被允许粘结至微粘结层71，并且被转移至安装基板80上。因此，通过重复分步转移方法108次{(1920×1080)/(160×120)}，1920×1080个GaN基半导体发光元件1能够被转移至安装基板80上。通过重复三次上述处理，预定数目的红色发光二极管、绿色发光二极管以及蓝色发光二极管能够以预定的间隔或间距被安装在安装基板80上。
随后，通过紫外光来辐射在其上具有GaN基半导体发光元件1的由光敏树脂所构成的粘结层81，从而固化构成粘结层81的光敏树脂。从而，GaN基半导体发光元件1被固定至粘结层81。接下来，每个GaN基半导体发光元件1通过相应的第一电极31被临时固定至第二临时固定基板。具体地，制备由具有粘结层90(通过在其表面上的未固化的粘合剂所构成)的玻璃基板所构成的第二临时固定基板。GaN基半导体发光元件1和粘结层90被粘结至一起，并且粘结层90被固化。因此，GaN基半导体发光元件1能够被临时固定在第二临时固定基板上。随后，通过适当的方法从GaN基半导体发光元件1中去除粘结层81和安装基板80。在这个阶段，暴露出GaN基半导体发光元件1的第二电极32。
[步骤-350]
接下来，在整个表面上形成第二绝缘层91，并且在GaN基半导体发光元件1的第二电极32上面的第二绝缘层91中形成开口92。第二线93形成在第二电极32上，从而从第二绝缘膜91上面的开口92中延伸出来。随后，通过粘结层94将包括第二线93的第二绝缘层91与由玻璃基板所构成的支撑构件95彼此粘结。从而，GaN基半导体发光元件1被固定至支撑构件95。接下来，例如，从第二临时固定基板的背面侧施加准分子激光。因此，引起激光消融，使得用准分子激光所辐射的GaN基半导体发光元件1从第二临时固定基板上脱去。在这个阶段，暴露出GaN基半导体发光元件1的第一电极31。接下来，在整个表面上形成第一绝缘层96，并且在GaN基半导体发光元件1的第一电极31上面的第一绝缘层96中形成开口。第一线98形成在第一电极上，从而从第一绝缘层96上的开口97中延伸出来。图6是示出这个状态的示意性局部截面图。随后，通过适当的方法将第一线和第二线连接至驱动电路，能够获取发光元件组件，或者能够完成图像显示装置(发光二极管显示装置)。GaN基半导体发光元件1具有倒装结构，并且在图6中，以向下的方向辐射通过活性层23所生成的光。
实施例3的图像显示装置的实例包括具有下述结构的图像显示装置。除非另外指定，否则根据图像显示装置的规格可以确定构成图像显示装置或发光元件面板的GaN基半导体发光元件的数目。此外，构成图像显示装置或发光元件面板的GaN基半导体发光元件可以为实施例1和2中所描述的任意一个GaN基半导体发光元件，或者可以为实施例3的发光元件组件。在后者的情况下，在下面说明中的GaN基半导体发光元件1可以被认为是发光元件组件。
(1A)具有第一结构的图像显示装置-A
无源矩阵型直视型图像显示装置，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件1的发光元件面板200，其中，通过控制每个GaN基半导体发光元件1的发光/不发光状态直接视觉观察到每个GaN基半导体发光元件1的发光状态，从而显示图像。
图12A是示出了包括构成这种无源矩阵型直视型图像显示装置的发光元件面板200的电路图，并且图12B示出了以二维矩阵形式配置了GaN基半导体发光元件1的发光元件面板200的示意性截面图。每个GaN基半导体发光元件1的一个电极(第二电极或第一电极)被连接至列驱动器221，并且另一个电极(第一电极或第二电极)被连接至行驱动器222。例如，通过行驱动器222来控制每个GaN基半导体发光元件1的发光/不发光状态，并且从列驱动器221提供用于驱动每个GaN基半导体发光元件1的驱动电流。单个GaN基半导体发光元件1的选择和驱动可通过通常的方法来执行，并且省略对其的描述。
发光元件面板200包括例如由印刷电路板所构成的支撑部201(在某些情况下，相应于支撑构件95)；被安装在支撑部201上的GaN基半导体发光元件1；在支撑部201上配置的与各个GaN基半导体发光元件1的一个电极(第二电极或第一电极)电连接并且与列驱动器221或行驱动器222连接的X方向线202；被电连接至各个GaN基半导体发光元件1的另一个电极(第一电极或第二电极)并且与行驱动器222或列驱动器221连接的Y方向线203；覆盖了GaN基半导体发光元件1的透明基材204；以及设置在透明基材204上的微型透镜205。但是，能够理解，发光元件面板200不被限制于上述结构。
(1B)具有第一结构的图像显示装置-B
有源矩阵型直视型图像显示装置，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件1的发光元件面板，其中，通过控制每个GaN基半导体发光元件1的发光/不发光状态直接视觉观察每个GaN基半导体发光元件1的发光状态，从而显示图像。
图13是示出了包括构成这种有源矩阵型直视型图像显示装置的发光元件面板200的电路图。每个GaN基半导体发光元件1的一个电极(第二电极或第一电极)被连接至驱动器225，并且驱动器225被连接至列驱动器223和行驱动器224。每个GaN基半导体发光元件1的另一个电极(第一电极或第二电极)被连接至接地线。通过例如由行驱动器224对驱动器225的选择来控制每个GaN基半导体发光元件1的发光/不发光状态，并且用于驱动每个GaN基半导体发光元件1的亮度信号被从列驱动器223提供至相应的驱动器225。预定电压从电源(没有示出)被提供至每个驱动器225，并且驱动器225响应亮度信号将驱动电流(PDM控制或PWM控制)提供至相应的GaN基半导体发光元件1。单个GaN基半导体发光元件1的选择和驱动可通过通常方法来执行，并且将省略对其的描述。
(2)具有第二结构的图像显示装置
无源矩阵型或有源矩阵型投影型图像显示装置，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件1的发光元件面板，其中，控制每个GaN基半导体发光元件1的发光/不发光状态，从而通过在屏幕上的投影来显示图像。
包括构成这种无源矩阵型图像显示装置的发光元件面板的电路图类似于图12A中所示，而包括构成有源矩阵型图像显示装置的发光元件面板的电路图类似于图13中所示。因此，将省略详细描述。图14是具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件1等的发光元件面板200的概念图。从发光元件面板200所发射的光穿过投影透镜206被投影在屏幕上。发光元件面板200的结构和构成与参照图12B所描述的发光元件面板200的结构和构成相同。因此，将省略对其的详细描述。
(3)具有第三结构的图像显示装置
彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的红色发光半导体发光元件R(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)的红色发光元件面板200R；(β)具有以二维矩阵形式所配置的绿色发光GaN基半导体发光元件1G的绿色发光元件面板200G；(γ)具有以二维矩阵形式所配置的蓝色发光GaN基半导体发光元件1B的绿色发光元件面板200B；以及(δ)在光路上汇聚从红色发光元件面板200R、绿色发光元件面板200G以及蓝色发光元件面板200B所发射的光的设备(例如，二向棱镜207)，其中，控制红色发光半导体发光元件R、绿色发光GaN基半导体发光元件1G以及蓝色发光GaN基半导体发光元件1B的每一个的发光/不发光状态。
包括构成这种无源矩阵型图像显示装置的发光元件面板的电路图与图12A所示的类似，并且包括构成有源矩阵型图像显示装置的发光元件面板的电路图与图13所示的类似。因此，将省略详细描述。图15示出了分别具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件R、1G以及1B等的发光元件面板200R、200G以及200B的概念图。从每个发光元件面板200R、200G以及200B所发射的光进入二向棱镜207，并且单个光束的光路被集成为一个光路。在直视型图像显示装置的情况下直接视觉观察到所得的光，或者在投影型图像显示装置的情况下所得光穿过投影透镜206被投影在屏幕上。发光元件面板200R、200G以及200B的每一个的结构和构成与参照图12B所描述的发光元件面板200的结构和构成相同。因此，将省略对其的详细描述。
在这种图像显示装置中，期望将在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1用作分别构成发光元件面板200R、200G以及200B的半导体发光元件R、1G以及1B。在某些情况下，例如，AlInGaP基化合物半导体发光二极管可以被用作构成发光元件面板200R的半导体发光元件R，并且在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1可以被用作分别构成发光元件面板200G和200B的GaN基半导体发光元件1G和1B。
(4)具有第四结构的图像显示装置
图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)GaN基半导体发光元件1和(β)作为用于控制从GaN基半导体发光元件1所发射的光的通过/不通过的光阀的光通过控制器(例如，具有高温多晶硅型薄膜晶体管的液晶显示设备208；下文中相同)，其中，通过作为光通过控制器的液晶显示设备208来控制从GaN基半导体发光元件1所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
可以根据图像显示装置的规格来确定GaN基半导体发光元件数目，并且可以为一个或两个以上。图16是图像显示装置的实例的概念图。在这个实例中，GaN基半导体发光元件1数为1，并且GaN基半导体发光元件1被固定至散热片210。从GaN基半导体发光元件1所发射的光被包括由诸如硅树脂、环氧树脂或聚碳酸酯树脂的透光材料所构成的光学引导构件的导光构件209以及诸如反射镜的反射器引导，并且被允许入射在液晶显示设备208上。在直视型图像显示装置的情况下，从液晶显示设备208所发射的光被直接视觉观察到，或者在投影型图像显示装置的情况下，从液晶显示设备208所发射的光透过投影透镜206被投影在屏幕上。作为GaN基半导体发光元件1，可以使用在实施例1和2中所描述的任意的GaN基半导体发光元件。
通过设计包括以下部件的图像显示装置，能够获取直视型或投影型彩色图像显示装置：红色发光半导体发光元件R(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)以及作为用于控制从红色发光半导体发光元件R所发射的光的通过/不通过的光阀的光通过控制器(例如，液晶显示设备208R)；绿色发光GaN基半导体发光元件1G以及作为控制从绿色发光GaN基半导体发光元件1G所发射的光的通过/不通过的光阀的光通过控制器(例如，液晶显示设备208G)；蓝色发光GaN基半导体发光元件1B以及作为控制从蓝色发光GaN基半导体发光元件1B所发射的光的通过/不通过的光阀的光通过控制器(例如，液晶显示设备208B)；引导分别从GaN基半导体发光元件R、1G以及1B所发射的光的导光构件209R、209G以及209B；以及汇聚光路中的光的设备。图17示出了投影型彩色图像显示装置的实例的概念图。
在这种图像显示装置中，期望在实施例1或实施例2中所描述的GaN基半导体发光元件被用作半导体发光元件R、1G以及1B。在某些情况下，例如，AlInGaP基化合物半导体发光二极管可以被用作半导体发光元件R，并且在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件可以被用作半导体发光元件1G和1B。
(5)具有第五结构的图像显示装置
图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件的发光元件面板200和(β)控制从GaN基半导体发光元件所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(液晶显示设备208)，其中，通过光通过控制器(液晶显示设备208)来控制从GaN基半导体发光元件1所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
图18是示出了发光单元面板200等的概念图。发光元件面板200的结构和构成与参照图12B所描述的发光元件面板200的结构和构成相同。因此，将省略对其的详细描述。由于通过液晶显示设备208的工作来控制从发光元件面板所发射的光的通过/不通过和亮度，所以可以恒定导通或以适当的周期重复导通和断开构成发光元件面板200的GaN基半导体发光元件1。从发光元件面板200所发射的光进入液晶显示设备208。在直视型图像显示装置的情况下，从液晶显示设备208所发射的图像被直接视觉观察到，或者在投影型图像显示装置的情况下，从液晶显示设备208所发射的光透过投影透镜206被投影在屏幕上。
(6)具有第六结构的图像显示装置
彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的红色发光半导体发光元件R(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)的红色发光元件面板200R以及控制从红色发光元件面板200R所发射的光的通过/不通过的红色光通过控制器(液晶显示设备208R)；(β)具有以二维矩阵形式所配置的绿色发光GaN基半导体发光元件1G的绿色发光元件面板200G以及控制从绿色发光元件面板200G所发射的光的通过/不通过的绿色光通过控制器(例如，液晶显示设备208G)；(γ)具有以二维矩阵形式所配置的蓝色发光GaN基半导体发光元件1B的蓝色发光元件面板200B以及控制从蓝色发光元件面板200B所发射的光的通过/不通过的蓝色光通过控制器(例如，液晶显示设备208B)；以及(δ)在光路中汇聚通过红色光通过控制器108R、绿色光通过控制器208G以及蓝色光通过控制器208G所通过的光的设备(例如，二向棱镜207)，其中，通过相应的光通过控制器208R、208G以及208B来控制从发光元件面板200R、200G以及200B所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
图19是示出了具有分别以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件R、1G以及1B等的发光元件面板200R、200G以及200B的概念图。从发光元件面板200R、200G以及200B所发射的光(分别通过光发射控制器208R、208G以及208B来其控制通过/不通过)进入二向棱镜207。单个光束的光路被集成为一个光路。在直视型图像显示装置的情况下，所得光被直接视觉观察到，或者在投影型图像显示装置的情况下，所得光透过投影透镜206被投影在屏幕上。发光元件面板200R、200G以及200B的每一个的结构和构成与参照图12B所描述的发光元件面板200的结构和构成相同。因此，将省略对其的详细描述。
在这种图像显示装置中，期望在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1被分别用作构成发光元件面板200R、200G以及200B的半导体发光元件R、1G以及1B。在某些情况下，例如，AlInGaP基化合物半导体发光二极管可以被用作构成发光元件面板200R的半导体发光元件R，并且在实施例1或实施例2中所描述的GaN基半导体发光元件1可以被分别用作构成发光元件面板200G和200B的GaN基半导体发光元件1G和1B。
(7)具有第七结构的图像显示装置
场序彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)红色发光半导体发光元件R(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)；(β)绿色发光GaN基半导体发光元件1G；(γ)蓝色发光GaN基半导体发光元件1B；(δ)在光路上汇聚从红色发光半导体发光元件R、绿色发光GaN基半导体发光元件1G以及蓝色发光GaN基半导体发光元件1B所发射的光的设备(例如，二向棱镜207)；以及(ε)控制从在光路上汇聚光的设备(二向棱镜207)所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(液晶显示设备208)，其中，通过光通过控制器208来控制从每个发光元件所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
图20是示出了半导体发光元件R、1G以及1B等的概念图。从每个半导体发光元件R、1G以及1B所发射的光进入二向棱镜207，并且单独光束的光路被集成为一个光路。在直视型图像显示装置的情况下，所得光被直接视觉观察到，或者在投影型图像显示装置的情况下，所得光透过投影透镜206被投影在屏幕上。在这种图像显示装置中，期望在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1被用作半导体发光元件R、1G以及1B。在某些情况下，例如，AlInGaP基化合物半导体发光二极管可以被用作半导体发光元件R，并且在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1可以被用作GaN基半导体发光元件1G和1B。
(8)具有第八结构的图像显示装置
场序彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括(α)具有以二维矩阵形式所配置的红色发光半导体发光元件R(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)的红色发光元件面板200R；(β)具有以二维矩阵形式所配置的绿色发光GaN基半导体发光元件1G的绿色发光元件面板200G；(γ)具有以二维矩阵形式所配置的蓝色发光GaN基半导体发光元件1B的蓝色发光元件面板200B；(δ)在光路上汇聚从红色发光元件面板200R、绿色发光元件面板200G以及蓝色发光元件面板200B所发射的光的设备(例如，二向棱镜207)；以及(ε)控制从在光路上汇聚光的设备(二向棱镜207)所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(液晶显示设备208)，其中，通过光通过控制器208来控制从每个发光元件面板200R、200G以及200B所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
图21是示出了分别具有以二维矩阵形式所配置的GaN基半导体发光元件R、1G以及1B的发光元件面板200R、200G以及200B等的概念图。从发光元件面板200R、200G以及200B所发射的光进入二向棱镜207。单独光束的光路被集成为一个光路。通过光通过控制器208来控制从二向棱镜207所发射的光的通过/不通过。在直视型图像显示装置的情况下，所得光被直接视觉观察到，或者在投影型图像显示装置的情况下，所得光透过投影透镜206被投影在屏幕上。发光元件面板200R、200G以及200B的结构和构成与参照图12B所描述的发光元件面板200的结构和构成相同。因此，将省略对其的详细描述。
在这种图像显示装置中，期望在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1被分别用作构成发光元件面板200R、200G以及200B的半导体发光元件R、1G以及1B。在某些情况下，例如，AlInGaP基化合物半导体发光二极管可以被用作构成发光元件面板200R的半导体发光元件R，并且在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1可以被分别用作构成发光元件面板200G和200B的GaN基半导体发光元件1G和1B。
实施例4
实施例4也涉及根据第一实施方式和第二实施方式的图像显示装置。实施例4的图像显示装置包括以二维矩阵形式配置的用于显示彩色图像的发光元件单元UN，每个发光元件单元UN包括蓝色发光第一发光元件、绿色发光第二发光元件以及红色发光第三发光元件。如实施例3中一样，至少构成第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件的其中一个的GaN基半导体发光元件(发光二极管)可以具有与在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件相同的基本构成和结构，或者可以为实施例3的发光元件组件。在后者的情况下，在下面描述中的GaN基半导体发光元件1可以被认为是发光元件组件。在这种图像显示装置中，作为任意一个第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件，使用在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件1。在某些情况下，可以通过AlInGaP基化合物半导体发光二极管来构成红色发光元件。
实施例4的图像显示装置的实施例包括具有下述结构的图像显示装置。可以根据图像显示装置的规格来确定发光元件单元UN的数目。
(1)具有第九和第十结构的图像显示装置
无源矩阵型或有源矩阵型直视型彩色图像显示装置，包括第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件，其中，通过控制每个发光元件的发光/不发光装置来直接视觉观察每个发光元件的发光状态，从而显示图像；以及无源矩阵型或有源矩阵型投影型彩色图像显示装置，包括第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件，其中，控制每个发光元件的发光/不发光状态，从而通过在屏幕上的投影来显示图像。
图22是包括构成这种有源矩阵型直视型彩色图像显示装置的发光元件面板的电路图。每个GaN基半导体发光元件1(在图22中，通过“R”来代表红色发光半导体发光元件，通过“G”来代表绿色发光GaN基半导体发光元件，并且通过“B”来代表蓝色发光GaN基半导体发光元件)的一个电极(第二电极或第一电极)被连接至相应的驱动器225，并且每个驱动器225被连接至列驱动器223和行驱动器224。另一个电极(第一电极或第二电极)被连接至接地线。例如，通过行驱动器224对相应驱动器225的选择来控制每个GaN基半导体发光元件1的发光/不发光状态，并且将用于驱动每个GaN基半导体发光元件1的亮度信号从列驱动器223提供至相应的驱动器225。预定电压从电源(没有示出)被提供至每个驱动器225，并且驱动器225响应亮度信号将驱动电流(PDM控制或PWM控制)提供至相应的GaN基半导体发光元件1。通过相应驱动器225来选择红色发光半导体发光元件R、绿色发光GaN基半导体发光元件G以及蓝色发光GaN基半导体发光元件B，并且可以通过分时来控制红色发光半导体发光元件R、绿色发光GaN基半导体发光元件G以及蓝色发光GaN基半导体发光元件B，或者可以执行同时发光。单个GaN基半导体发光元件1的选择和驱动可通过通常方法来执行，并且将省略对其的描述。在直视型图像显示装置的情况下，所得光被直接视觉观察到，或者在投影型图像显示装置的情况下，所得光透过投影透镜被投影在屏幕上。
(2)具有第十一结构的图像显示装置
场序彩色图像显示装置(直视型或投影型)，包括以二维矩阵形式所配置的发光元件单元以及控制从发光元件单元所发射的光的通过/不通过的光通过控制器(例如，液晶显示设备)，其中，通过分时来控制在每个发光元件单元中的第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件的每一个的发光/不发光状态，并且通过光通过控制器来控制从第一发光元件、第二发光元件以及第三发光元件所发射的光的通过/不通过，从而显示图像。
这种图像显示装置的概念图与图14所示的相同。在直视型图像显示装置的情况下，所得光被直接视觉观察到，或者在投影型图像显示装置的情况下，所得图像透过投影透镜被投影在屏幕上。
实施例5
实施例5涉及根据第一实施方式和第二实施方式的发光装置。实施例5的发光装置包括在实施例1和2中所描述的任意的GaN基半导体发光元件1，以及被来自GaN基半导体发光元件1的发射光激励从而发射具有与来自GaN基半导体发光元件1的发射光不同波长的光的色彩转换材料。例如，色彩转换材料被应用于GaN基半导体发光元件1的发光部上。可替换地，膜状的色彩转换材料被安装至GaN基半导体发光元件1。在实施例5的发光装置中，来自GaN基半导体发光元件1的发射光的实施例包括可见光、紫外光以及可见光与紫外光的组合。GaN基半导体发光元件1可以被实施例3的发光元件组件代替。在这种情况下，下面描述的GaN基半导体发光元件1可以被认为是发光元件组件。
在实施例5的发光装置中，可以采用一种结构，其中，从GaN基半导体发光元件1所发射的光为蓝色光，并且从色彩转换材料所发射的光至少为从由黄光、绿光以及红光组成的组中所选择的一种类型的光。可替换地，可以采用一种结构，其中，从GaN基半导体发光元件1所发射的光与从色彩转换材料所发射的光(例如，黄色；红色和绿色；黄色和红色；或绿色、黄色以及红色)被混合，从而发射白光。发光装置的结构不限于此，而且发光装置也可以被应用于各种彩色照明装置和显示器。
更具体地说，在实施例5中，来自GaN基半导体发光元件1的发射光为蓝色光，来自色彩转换材料的发射光为黄色光，并且由YAG(钇铝石榴石)基荧光颗粒来构成色彩转换材料。来自GaN基半导体发光元件1的发射光(蓝色)与来自色彩转换材料的发射光(黄色)被混合，从而发射白光。
可替换地，在实施例5中，来自GaN基半导体发光元件1的发射光为蓝色，并且来自色彩转换材料的发射光由绿色光和红色光构成。来自GaN基半导体发光元件1的发射光(蓝色)与来自色彩转换材料的发射光(绿色和红色)被混合，从而发射白光。在这种情况下，由诸如SrGa2S4:Eu的绿色发光荧光颗粒(其被从GaN基半导体发光元件1所发射的蓝光激励)来构成绿色发光色彩转换材料。由诸如CaS:Eu的红色发光荧光颗粒(其被从GaN基半导体发光元件1所发射的蓝光激励)来构成红色发光色彩转换材料。
实施例6
实施例6为在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件被应用于平面光源设备以及液晶显示设备组件(具体地，彩色液晶显示设备组件)的实例。实施例6的平面光源设备将光从背面侧施加于透明或半透明彩色液晶显示设备。实施例6的彩色液晶显示设备组件包括透明或半透明彩色液晶显示设备以及将光从背面侧施加于彩色液晶显示设备的平面光源设备。被提供作为平面光源设备中的光源的GaN基半导体发光元件(发光二极管)1R、1G以及1B具有与在实施例1或2中所描述的GaN基半导体发光元件相同的基本构成和结构。GaN基半导体发光元件1R、1G以及1B可以被实施例3的发光元件组件代替。在这种情况下，下面描述中的GaN基半导体发光元件1R、1G以及1B可以被认为是发光元件组件。
图23A示意性地示出了在实施例6的平面光源设备中的GaN基半导体发光元件(发光二极管)1R、1G以及1B的配置。图23B是示出了平面光源设备和彩色液晶显示设备组件的示意性局部截面图。图24是示出了彩色液晶显示设备的示意性局部截面图。
具体地，实施例6的彩色液晶显示设备组件300包括透射彩色液晶显示设备310(包括(a)具有透明的第一电极324的前面板320，(b)具有透明的第二电极334的背面板330以及(c)在前面板320与被面板330之间所放置的液晶材料327)；以及(d)作为光源的具有半导体发光元件1R、1G以及1B的平面光源设备(直下型背光，direct-type backlight)340。配置平面光源设备(直下型背光)340，使其面向背面板330，并且将光从背面板侧施加至彩色液晶显示设备310。
直下型平面光源设备340包括机箱341，具有外框343和内框344。透射彩色液晶显示设备310的端部被支撑，使其分别通过垫片345A和345B被夹在外框343和内框344之间。引导构件346被配置在外框343和内框344之间，使得防止被夹在外框343和内框344之间的彩色液晶显示设备310偏离正确的位置。在机箱341的上部，通过垫片345C和托架构件347将扩散板351固定至内框344。在扩散板351上配置包括扩散片352、棱镜片353以及偏振光转换片354的光学功能片组。
在机箱341中的下部设置反射片355。配置反射片355，使其反射面面向扩散板351，并且通过固定构件(没有示出)被固定至机箱341的底面342A。反射片355可以由例如具有在片基板上顺次配置银反射膜、低折射率膜以及高折射率膜的结构的高反射银膜来构成。反射片355反射从多个红色发光GaN基半导体发光元件1R(或GAlGaInP基半导体发光元件)、多个绿色发光GaN基半导体发光元件1G以及多个蓝色发光GaN基半导体发光元件1B所发射的光以及被机箱341的侧表面342B所反射的光。因此，从多个半导体发光元件1R、1G以及1B所发射的红光、绿光以及蓝光被混合，并且可获取具有高色彩纯度的白光来作为照明光。照明光透过扩散板351和包括扩散片352、棱镜片353以及偏振光转换片354的光学功能片组，并且从背面侧施加于彩色液晶显示设备310。
关于发光元件的配置，例如，在水平方向配置多个发光元件行，从而形成发光元件行阵列，每个发光元件行包括预定数目的红色发光GaN基半导体发光元件1R(或AlGaInP基半导体发光元件)、绿色发光GaN基半导体发光元件1G以及蓝色发光GaN基半导体发光元件1B，并且在垂直方向配置多个这种发光元件行阵列。发光元件行例如由两个红色发光AlGaInP基半导体发光元件、两个绿色发光GaN基半导体发光元件以及一个蓝色发光GaN基半导体发光元件来构成，并且顺次配置红色发光AlGaInP基半导体发光元件、绿色发光GaN基半导体发光元件、蓝色发光GaN基半导体发光元件、绿色发光GaN基半导体发光元件以及红色发光AlGaInP基半导体发光元件。
如图24所示，例如，构成彩色液晶显示设备310的前面板320包括由玻璃基板所构成的第一基板321和在第一基板321的外表面上所配置的偏振膜326。在第一基板321的内表面上配置涂覆了由丙烯酸树脂或环氧树脂所构成的保护层323的滤色片322，并且在保护层323上配置透明的第一电极(也被称作公共电极，例如，由ITO所构成)324。定向层325被配置在透明的第一电极324上。另外，背面板330包括例如由玻璃基板所构成的第二基板331、在第二基板331的内表面上所配置的开关元件(具体地，薄膜晶体管)332、透明的第二电极(也被称作像素电极，例如，由ITO构成)334(通过开关元件332来控制该第二电极的导电/不导电)、以及在第二基板331的外表面上所配置的偏光膜336。定向层325被配置在包括透明的第二电极334的整个表面上。前面板320和背面板330通过密封构件(没有示出)在其外围部分处被彼此粘结。开关元件332不限于TFT，而例如，可以由MIN元件构成。在图24中，参考数字337代表在开关元件332之间所配置的绝缘层。
能够由通用构件和材料来形成构成透射彩色液晶显示设备的各种构件和液晶材料，因此，省略对其的详细描述。
此外，通过将平面光源设备划分成多个区并且通过独立地动态控制每个区，能够进一步扩大关于彩色液晶显示设备的亮度的动态范围。即，对于每个图像显示帧，平面光源设备被划分成多个区，并且平面光源的亮度根据每个区中的图像信号而改变(例如，与图像的相应区的最大亮度成比例地改变平面光源设备的每个区的亮度)。在这种情况下，在图像的明亮区中，平面光源设备的相应区被加亮，而在图像的黑暗区中，平面光源设备的相应区被变暗，使得能够显著改进彩色液晶显示设备的对比率。此外，能够减小平均电功率消耗。在该技术中，减小平面光源设备的多个区之间的色彩变化是很重要的。在GaN基半导体发光元件中，在制造期间，很容易出现发光色的变化。但是，在实施例6中所使用的GaN基半导体发光元件与在实施例1和2中所描述的GaN基半导体发光元件相同，因此，能够实现在多个区之间具有很小的发光色变化的平面光源设备。此外，除了作为光源的GaN基半导体发光元件的工作电流密度(或驱动电流)的控制之外，通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或驱动电流的脉冲密度，能够控制作为光源的GaN基半导体发光元件的亮度(明度)。因此，能够更加轻松可靠独立动态地控制多个划分区的每一个。具体地，例如，通过驱动电流(工作电流)的峰电流值可以控制平面光源设备的每个区的亮度，并且通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度，可以精确控制亮度。可替换地，与此相反，通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度，可以控制整个平面光源设备的亮度，并且通过驱动电流(工作电流)的峰电流值，可以精确控制亮度。
实施例7
实施例7为实施例6的修改。实施例6涉及直下型平面光源设备，而实施例7涉及侧光型平面光源设备。图25是示出了图7的彩色液晶显示设备组件的概念图。实施例7中的彩色液晶显示设备的示意性局部截面图与图24中所示的示意性局部截面图相同。
实施例7的彩色液晶显示设备组件300A包括透射彩色液晶显示设备310(包括(a)具有透明的第一电极324的前面板320，(b)具有透明的第二电极334的背面板330以及(c)在前面板320与背面板330之间所放置的液晶材料327)；以及(d)由导光板370和光源360所构成并且将光从背面板侧施加于彩色液晶显示设备310的平面光源设备(侧光型背光)350。配置导光板370，使其面向背面板330。
光源360例如由红色发光AlGaInP基半导体发光元件、绿色发光GaN基半导体发光元件以及蓝色发光GaN基半导体发光元件来构成。图25中没有示出这些半导体发光元件。作为绿色发光GaN基半导体发光元件和蓝色发光GaN基半导体发光元件，可以使用与实施例1或2中所描述的相同的GaN基半导体发光元件。此外，构成彩色液晶显示设备310的前面板320和背面板330能够具有与参照图24所述的实施例6的前面板320和背面板330的构成和结构相同的构成和结构，因此，将省略对其的详细描述。
例如，由聚碳酸酯树脂所构成的导光板370具有第一面(底面)371、与第一面371相对的第二面(顶面)373、第一侧面374、第二侧面375、与第一侧面374相对的第三侧面376、以及与第二侧面375相对的第四侧面。更具体地说，导光板370整体上具有楔状截顶四角锥形状。截顶四角锥的两个相对侧面相应于第一面371和第二面373，并且截顶四角锥的底面相应于第一侧面374。第一面371具有凸凹部372。当沿着假想面来切割导光板370时，所述假象面在至第一面371的入射光方向上延伸并且垂直于第一面371，连续凹凸部的截面形状为三角形。即，在第一面371上所提供的凹凸部372为棱柱形的。导光板370的第二面373可以为平滑面(即，镜面)，或者可以提供具有漫射效果的喷砂不规则状(blastirregularity)(即，微凹凸面)。配置反射构件381，使其面向导光板370的第一面371。配置彩色液晶显示设备310，使其面向导光板370的第二面373。此外，在彩色液晶显示设备310与导光板370的第二面373之间配置漫射片382和棱镜片383。从光源360所发射的光从第一侧面374(例如，相应于截顶四角锥的底面的表面)进入导光板370，通过与第一面371上的凹凸部372的碰撞被散射，从第一面371被发射，被反射构件381反射，再次进入第一面371，从第二面373被发射，经过漫射片382和棱镜片383，随后被施加于彩色液晶显示设备310。
已经根据优选实施例描述了本发明。但是，本发明不限于这些实施例。在实施例中所描述的GaN基半导体发光元件，以及其中具有GaN基半导体发光元件的发光元件组件、发光装置、图像显示装置、平面光源设备、或彩色液晶显示设备组件的构成和结构仅作为示例，并且构成这些器件的构件、材料等也仅为示例。可以进行适当的替换。在GaN基半导体发光元件中的沉积顺序可以颠倒。直视型图像显示装置可以被设计为这样一种图像显示装置，其中，图像被投影在人的视网膜上。GaN基半导体发光元件可以构成半导体激光器。
本领域技术人员应当理解，可以根据设计要求和其他因素进行各种变更、组合、子组合以及改变，只要它们在所附权利要求或其等同替换的范围内。
Claims (35)
1.一种GaN基半导体发光元件，包括：
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)层压结构，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述层压结构以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间；并且
所述层压结构包括至少一个层压单元，在该层压单元中，以从所述活性层侧的顺序堆叠p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层。
2.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，构成所述层压单元的所述p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层具有相同的组分。
3.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，构成所述层压单元的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层。
4.根据权利要求3所述的GaN基半导体发光元件，其中，构成所述层压单元的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层具有三层结构，包括：与构成所述层压单元的p型导电型的所述GaN基化合物半导体层具有相同组分的第一层；与所述第一层具有相同组分并进一步包含铟的第二层；以及与所述第一层具有相同组分的第三层。
5.根据权利要求4所述的GaN基半导体发光元件，其中，构成所述层压单元的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层具有三层结构，包括：由未掺杂的GaN所构成的所述第一层；由未掺杂的InxGa(1-x)N(其中，0<x≤0.3)所构成的所述第二层；以及由未掺杂的GaN所构成的所述第三层。
6.根据权利要求5所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述活性层包括InyGa(1-y)N层，并且x≤y。
7.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述层压结构包括1～10个层压单元。
8.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，构成所述层压单元的p型导电型的所述GaN基化合物半导体层具有1×1018/cm3～4×1020/cm3的p型杂质浓度。
9.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，构成所述层压单元的p型导电型的所述GaN基化合物半导体层的厚度在两原子层厚度至50nm的范围内，并且构成所述层压单元的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层的厚度在两原子层厚度至50nm的范围内。
10.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述压结构的厚度在5nm～200nm的范围内。
11.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，施加于所述活性层的电流密度为50A/cm2以上。
12.根据权利要求1所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述活性层的面积为1×10-12m2～1×10-8m2。
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基半导体发光元件的厚度为1×10-7m～1×10-5m。
14.一种GaN基半导体发光元件，包括：
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)p型导电型的第三GaN基化合物半导体层，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述第三GaN基化合物半导体层以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间；并且
在所述第三GaN基化合物半导体层的更接近于所述第二GaN基化合物半导体层的一侧配置至少一个未掺杂的GaN基化合物半导体层。
15.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述p型导电型的第三GaN基化合物半导体层与在所述第三GaN基化合物半导体层上所配置的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层具有相同组分。
16.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，在所述第三GaN基化合物半导体层上所配置的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层。
17.根据权利要求16所述的GaN基半导体发光元件，其中，在所述第三GaN基化合物半导体层上所配置的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层具有三层结构，包括：与所述p型导电型的第三GaN基化合物半导体层具有相同组分的第一层；与所述第一层具有相同组分并进一步包含铟的第二层；以及与所述第一层具有相同组分的第三层。
18.根据权利要求17所述的GaN基半导体发光元件，其中，在所述第三GaN基化合物半导体层上所配置的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层具有三层结构，包括：由未掺杂GaN所构成的所述第一层；由未掺杂InxGa(1-x)N(其中，0<x≤0.3)所构成的所述第二层；以及由未掺杂GaN所构成的所述第三层。
19.根据权利要求18所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述活性层包括InyGa(1-y)N层，并且x≤y。
20.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，在所述第三GaN基化合物半导体层上配置1～10个未掺杂的GaN基化合物半导体层。
21.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述第三GaN基化合物半导体层具有1×1018/cm3～4×1020/cm3的p型杂质浓度。
22.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，在所述第三GaN基化合物半导体层上所配置的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层的厚度在两原子层厚度至50nm的范围内，并且所述第三GaN基化合物半导体层的厚度在5nm～200nm的范围内。
23.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，施加于所述活性层的电流密度为50A/cm2以上。
24.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述活性层的面积为1×10-12m2～1×10-8m2。
25.根据权利要求14所述的GaN基半导体发光元件，其中，所述GaN基半导体发光元件的厚度为1×10-7m～1×10-5m。
26.一种发光元件组件，包括：
GaN基半导体发光元件，配置在支撑构件上，
其中，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)层压结构，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述层压结构以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间；并且
所述层压结构包括至少一个层压单元，在该层压单元中，以从所述活性层侧的顺序堆叠p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层。
27.一种发光元件组件，包括：
GaN基半导体发光元件，配置在支撑构件上，
其中，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)p型导电型的第三GaN基化合物半导体层，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述第三GaN基化合物半导体层以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间；并且
在所述第三GaN基化合物半导体层的更接近于所述第二GaN基化合物半导体层的一侧配置至少一个未掺杂的GaN基化合物半导体层。
28.一种发光装置，包括：
(a)GaN基半导体发光元件；以及
(b)色彩转换材料，被来自所述GaN基半导体发光元件的发射光激励，从而发射具有与所述发射光不同波长的光，其中，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)层压结构，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述层压结构以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间；并且
所述层压结构包括至少一个层压单元，在该层压单元中，以从所述活性层侧的顺序堆叠p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层。
29.一种发光装置，包括
(a)GaN基半导体发光元件；以及
(b)色彩转换材料，被来自所述GaN基半导体发光元件的发射光激励，从而发射具有与所述发射光不同波长的光，
其中，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)p型导电型的第三GaN基化合物半导体层，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述第三GaN基化合物半导体层以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间；并且
在所述第三GaN基化合物半导体层的更接近于所述第二GaN基化合物半导体层的一侧配置至少一个未掺杂的GaN基化合物半导体层。
30.一种GaN基半导体发光元件的制造方法，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)层压结构，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述层压结构以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间，
所述层压结构包括至少一个层压单元，在该层压单元中，以从所述活性层侧的顺序堆叠p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层，
构成所述层压单元的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，并且
所述活性层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，
所述方法包括：
顺次形成所述第一GaN基化合物半导体层、所述活性层、所述杂质扩散阻挡层、所述层压结构、以及所述第二GaN基化合物半导体层，
其中，以比在所述活性层中形成组分包含铟的所述GaN基化合物半导体层的温度更高的温度，来形成在构成所述层压单元的所述未掺杂GaN基化合物半导体层中组分包含铟的所述GaN基化合物半导体层。
31.一种GaN基半导体发光元件的制造方法，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)p型导电型的第三GaN基化合物半导体层，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述第三GaN基化合物半导体层以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间，
在所述第三GaN基化合物半导体层的更接近于所述第二GaN基化合物半导体层的一侧配置至少一个未掺杂的GaN基化合物半导体层，
在所述第三GaN基化合物半导体层上所配置的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，并且
所述活性层包括组分包含铟的GaN基化合物半导体层，
所述方法包括：
顺次形成所述第一GaN基化合物半导体层、所述活性层、所述杂质扩散阻挡层、所述第三GaN基化合物半导体层、以及所述第二GaN基化合物半导体层，
其中，以比在所述活性层中形成组分包含铟的所述GaN基化合物半导体层的温度更高的温度，来形成在所述第三GaN基化合物半导体层上所配置的所述未掺杂的GaN基化合物半导体层中组分包含铟的所述GaN基化合物半导体层。
32.一种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型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)层压结构，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述层压结构以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间，并且
所述层压结构包括至少一个层压单元，在该层压单元中，以从所述活性层侧的顺序堆叠p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层，
所述方法包括：
对所述活性层施加电流密度为50A/cm2以上的电流。
33.一种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型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)p型导电型的第三GaN基化合物半导体层，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述第三GaN基化合物半导体层以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间，并且
在所述第三GaN基化合物半导体层的更接近于所述第二GaN基化合物半导体层的一侧配置至少一个未掺杂的GaN基化合物半导体层，
所述方法包括：
对所述活性层施加电流密度为50A/cm2以上的电流。
34.一种图像显示装置，包括GaN基半导体发光元件用于显示图像，
其中，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)层压结构，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述层压结构以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间，并且
所述层压结构包括至少一个层压单元，在该层压单元中，以从所述活性层侧的顺序堆叠p型导电型的GaN基化合物半导体层和未掺杂的GaN基化合物半导体层。
35.一种图像显示装置，包括GaN基半导体发光元件，用于显示图像，
其中，所述GaN基半导体发光元件包括
(A)n型导电型的第一GaN基化合物半导体层；
(B)活性层；
(C)p型导电型的第二GaN基化合物半导体层；
(D)第一电极，电连接至所述第一GaN基化合物半导体层；
(E)第二电极，电连接至所述第二GaN基化合物半导体层；
(F)杂质扩散阻挡层，由未掺杂的GaN基化合物半导体所构成，所述杂质扩散阻挡层防止p型杂质扩散进所述活性层；以及
(G)p型导电型的第三GaN基化合物半导体层，
其中，所述杂质扩散阻挡层和所述第三GaN基化合物半导体层以从所述活性层侧的顺序被配置在所述活性层与所述第二GaN基化合物半导体层之间，并且
在所述第三GaN基化合物半导体层的更接近于所述第二GaN基化合物半导体层的一侧配置至少一个未掺杂的GaN基化合物半导体层。
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