CN101562226A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
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，参见日本未审查专利申请公开第10-261838号和第10-256657号)、指定阱层和势垒层的混合晶体成分的技术(例如，参见日本未审查专利申请公开第2000-261106号和第2000-091629号)以及对设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公开的多量子阱结构中，假定所有势垒层具有相同成分、相同厚度和相同结构。日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技术。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号公开了在阱层和势垒层之间形成应变补偿层的技术。
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技术。
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)电连接到第一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)中的带隙能量要低。
根据本发明实施方式的发光元件组件包括支撑部件和设置在支撑部件上的根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基半导体发光元件和(b)由从GaN基半导体发光元件发射的光激发以发射具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根据本发明实施方式的GaN基半导体发光元件构成。
根据本发明实施方式的图像显示设备包括用于显示图像的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。
在根据本发明实施方式的图像显示设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元件组件中的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根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被称为“根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假定为基准时，成分沿厚度方向发生变化的位置t0满足以下关系：
0.01tB≤t0≤0.5tB，
且更优选地，
0.1tB≤t0≤0.5tB，
其中，tB表示变化成分势垒层的厚度。
可选地，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，但是优选地满足关系1×10-4≤z≤3×10-2。
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，但是优选地满足关系1×10-4≤z≤3×10-2。
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，阱层的数目为在6～15的范围中。在此情况下，变化成分势垒层的数目优选地为势垒层总数的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。
另外，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，且更优选地为200安培/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1×10-12m2～1×10-8m2的范围中、且更优选地在1×10-11m2～1×10-9m2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1×10-7m～1×10-5m的范围中、且更优选地在1×10-6m～1×10-5m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，其中层压结构包括至少一个层压单元，在其中以从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。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设置至少一个无掺杂的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，构成层压单元的无掺杂的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、由无掺杂的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：由无掺杂的GaN构成的第一层、由无掺杂的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。
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括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1×1018/cm3～4×1020/cm3、且更优选地为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1×1018/cm3～4×1020/cm3、且更优选地为1×1019/cm3～2×1020/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50nm的范围中的厚度，构成层压单元的无掺杂的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，且层压结构可以具有5nm～200nm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设置的无掺杂的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～200nm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骤，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(以下通称为根据本发明实施方式的发光元件等)中的任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(接合区域的面积)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根据应用或光量而变化。此外，例如，标准驱动电流(工作电流)根据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，为了一般化，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设置的无掺杂的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(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。
在根据本发明实施方式的发光元件等中，在发光元件形成基板上按顺序形成多种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、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板和在这些基板的表面(主表面)上设置底层和缓冲层的基板。在根据本发明实施方式的发光元件等中，发光元件形成基板可以保留在成品中，或者可以最后将其除去。在后一种情况下，根据本发明实施方式的发光元件等被设置在支撑部件上。
根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、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)膜、聚酰亚胺(PI)膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯(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、聚苯乙烯树脂层或硅橡胶层的玻璃基板。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；以及诸如聚甲基丙烯酸甲酯(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、铸造法和喷溅法。
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。在此，由从GaN基半导体发光元件发射的蓝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(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(O，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(O，N)16(其中，“RE”表示Tb或Yb)、(M:Tb)X(Si，Al)12(O，N)16、(M:Yb)X(Si，Al)12(O，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LaPO4:Ce，Tb、BaMgAl10O17:Eu，Mn、Zn2SiO4:Mn、MgAl11O19:Ce，Tb、Y2SiO5:Ce，Tb或MgAl11O19:CE，Tb，Mn)和发射蓝光的荧光粒子(诸如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。
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和Y2O2S:Eu。由从GaN基半导体发光元件发射的紫外光激励且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LaPO4:Ce，Tb、BaMgAl10O17:Eu，Mn、Zn2SiO4:Mn、MgAl11O19:Ce，Tb、Y2SiO5:Ce，Tb、MgAl11O19:CE，Tb，Mn和Si6-ZAlZOZN8-Z:Eu。另外，由从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。其具体实例包括BaMgAl10O17:Eu、BaMg2Al16O27:Eu、Sr2P2O7:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、(Sr，Ca，Ba，Mg)5(PO4)3Cl:Eu、CaWO4和CaWO4:Pb。另外，由从GaN基半导体发光元件发射的紫外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括由具有量子阱结构的间接跃迁型(indirect transition-type)硅材料构成的发光颗粒，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)以使得可以将载波有效地转换为作为直接跃迁型材料的光，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(α)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(α)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，且在屏幕上执行投影以显示图像。
(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(α)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，AlGaInP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；(β)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；(γ)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(δ)装置(例如，二向棱镜；以下相同)，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，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(α)GaN基半导体发光元件；和(β)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数目，且该数目可以为一个或两个以上。用于将从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(α)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(β)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(α)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；(β)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；(γ)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(δ)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(α)发射红光半导体发光元件；(β)发射绿光的GaN基半导体发光元件；(γ)发射蓝光的GaN基半导体发光元件；(δ)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(ε)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/不透射以显示图像。
(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(α)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；(β)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；(γ)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；(δ)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(ε)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/不透射以显示图像。
(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(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，以显示图像。
在制造根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＜1,350-0.75λ，且更优选地，满足关系TMAX＜1,250-0.75λ，其中TMAX(℃)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λ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)和其中的卤素有助于输送或反应的氢化物气相外延(HVPE)。
MOCVD中所使用的有机镓源气体的实例包括三甲基镓(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型掺杂剂)。在p传导型的GaN基化合物半导体层的形成过程中，可以添加镁(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，可以使用三甲基铝(TMA)气体作为Al源，且可以使用三甲基铟(TMI)气体作为In源。另外，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镁气体、甲基环戊二烯基镁气体或双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)作为镁源。另外，除了Si之外，n型杂质(n型掺杂剂)的实例包括Ge、Se、Sn、C和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)、钛(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，可以使用诸如氧化铟锡(ITO)的透明传导材料。其中，优选地使用可以高效地反射光的银(Ag)、Ag/Ni或Ag/Ni/Pt。另一方面，电连接到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)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)组成的组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。第一电极电连接到第一GaN基化合物半导体层。在此情况下，可以将第一电极设置在第一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钛(Ti)、铝(Al)、铂(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冲宽度、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，I0表示用于获得某一发光波长λ0的驱动电流的峰电流值，P0表示驱动电流的脉冲宽度，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I0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脉冲宽度P0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TOP中具有脉冲宽度P0的脉冲数目(脉冲密度)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)脉冲驱动电流供应单元，向GaN基半导体发光元件供应脉冲驱动电流，(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。
包括上述优选实施方式和配置的每个发光元件可以包括面向上的结构(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极管(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)图像显示设备之外，根据本发明实施方式的发光元件等的应用领域的实例包括表面光源装置(背光)；包括彩色液晶显示装置组件的液晶显示装置组件；用于可变色彩照明的光源；显示器；诸如汽车、电气列车、船和航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；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，且根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根据本发明实施方式的一个或多个发光设备构成。此外，第一发光元件的数目、第二发光元件的数目和第三发光元件的数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公开第63-187120号或日本未审查专利申请公开第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号中公开)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被不均匀地分布，具体地说，密集地分布在第二GaN基化合物半导体层侧上。相反，根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(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，电子和空穴被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掺杂的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。
附图说明
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；
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(安培/cm2)和光学输出(μW)之间的关系的示图；
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；
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；
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；
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；
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；
图8是实施例6的发光元件组件的示意性局部截面图；
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10A和图10B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；
图11A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10B所示的步骤之后GaN基半导体发光元件等的示意性截面图；
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；
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；
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；
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元件板的示意性截面图；
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；
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、发射绿光元件板、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；
图18是包括实施例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；
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；
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；
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；
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；
图23是包括实施例6中的三组发光元件板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；
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)的电路图；
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；
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；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)具有包括阱层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的第二电极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。更具体地，变化成分势垒层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t0满足以下关系：
0.01tB≤t0≤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＝15nm
t0＝5nm(＝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15nm。
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In0.2Ga0.8N构成且具有3nm的厚度。活性层30具有4×10-10m2的面积，且GaN基半导体发光元件1具有5×10-6m的厚度。如图1A所示，GaN基半导体发光元件1包括发光元件形成基板10和底层11，底层11包括缓冲层和设置在缓冲层之上的无掺杂的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安培/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平面的蓝宝石基板用作发光元件形成基板10。在由氢气构成的载气中在1,050℃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℃。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板10上形成由低温GaN构成的厚度为30nm的缓冲层，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℃，且随后再次开始TMG气体的供应。因此，在缓冲层上通过晶体生长形成具有1μm的厚度的无掺杂GaN层。因此，形成底层11。随后，开始供应用作硅源的甲硅烷气体(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3μm的厚度的由掺杂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。掺杂浓度约为5×1018/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℃。将三乙基镓(TEG)气体用作Ga源，且将三甲基铟(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In0.2Ga0.8N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In0.01Ga0.99N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℃。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℃。在此实施例中，发光波长λ为520nm。
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℃的同时，使具有5nm的厚度的由无掺杂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，将基板温度增加到850℃，且开始TMG气体和双(环二戊烯基)镁(Cp2Mg)气体的供应，从而通过晶体生长形成具有100nm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5×1019/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℃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TMAX，满足关系TMAX＜1,350-0.75λ(℃)，且优选地，满足关系TMAX＜1,250-0.75λ(℃)，其中λ(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，如在日本未审查专利申请公开第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℃下执行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任意一种)。
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15nm的厚度。
在实施例1和比较例1的GaN基半导体发光元件的每一个中，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基化合物半导体层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和比较例1的每一个中工作电流密度(安培/cm2)和光学输出(μW)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”示出的比较例1相比无疑增加了。可以确定在从普通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520nm。
图4示出了当工作电流密度从60安培/cm2变为300安培/cm2时发光峰值波长的移动量的结果。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，且黑色圆形和直线B示出了比较例1的GaN基半导体发光元件的数据。从图4显而易见，实施例1中的发光波长的移动量比比较例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光效率降低来解决具有长波长的光发射中的发光效率的降低问题。此外，可以减少在高电流密度下的波长移动量，且可以减少图像显示设备的电力消耗。可以减少脉冲驱动中的脉冲宽度，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的修改。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(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含量从第二区域33B到第一区域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的第二区域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，如从图2的右侧上部第四变化成分势垒层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，因此省略其详细描述。
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InyGa(1-y)N(其中y＝0.2)。或者，变化成分势垒层33的第二区域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z＝0.01)，且每个阱层31的成分为InyGa(1-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
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，从活性层侧开始，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由无掺杂的GaN基化合物半导体构成)和(G)根据具有第一结构的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包括至少一个层压单元41(具体地，在实施例4中两个层压单元41)，其中以从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42和无掺杂的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(该侧较接近第二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，提供两个无掺杂的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和无掺杂的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基化合物半导体层50的p型杂质浓度在1×1018/cm3～4×1020/cm3的范围中，具体地，为5×1019/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5nm。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13nm。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36nm(＝18nm×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℃的同时使具有5nm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，在将基板温度维持在800℃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13nm的厚度。以此方式使具有5nm的厚度的掺杂Mg的GaN层42和具有13nm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5×1019/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和无掺杂的GaN基化合物半导体层43以从活性层侧开始的顺序被层压。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掺杂的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℃，且开始TMG气体和Cp2Mg气体的供应，从而通过晶体生长形成具有100nm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5×1019/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℃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。
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＜1,350-0.75λ(℃)，且优选地，满足关系TMAX＜1,250-0.75λ(℃)，其中λ(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℃下执行10分钟的退火处理，以使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基化合物半导体层22之间形成包括无掺杂的GaN基化合物半导体层43的层压结构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153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，包括由无掺杂的GaN构成的第一层143A、由无掺杂的InxGa(1-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InyGa(1-y)N层，其中满足关系x≤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，包括由无掺杂的GaN构成的第一层153A、由无掺杂的InxGa(1-x)N(其中0＜x≤0.3)构成的第二层153B和由无掺杂的GaN构成的第三层153C。另外，活性层30包括InyGa(1-y)N层，其中满足关系x≤y。
更具体地，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，通过在设置于第三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源的三甲基铟(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3nm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的生长期间的基板温度为760℃。此温度高于在活性层30的生长期间的基板温度750℃。因此，构成InGaN的第二层143B或153B的In的成分比例为0.2。Mg的掺杂浓度约为5×1019/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℃)更高的温度(具体地，实施例5中的760℃)下，形成构成层压单元141的无掺杂的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中所设置的无掺杂的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5nm的厚度的掺杂Mg的GaN层42和具有13nm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以从活性层侧开始的顺序被层压。或者，可以获得第三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(无掺杂的GaN层153)。
步骤-520
随后，通过执行与实施例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基半导体发光元件中，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
实施例6涉及根据本发明的实施方式的发光元件组件和根据本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1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像。
现在将参考图9A、9B、10A、10B、11A、11B、12A、12B、13A和13B来描述实施例6的发光元件组件的制造方法。
步骤-600
首先，例如，执行与实施例1的步骤-100～步骤-140相同的步骤，且随后进一步执行直到实施例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，执行与实施例4的步骤-400～步骤-440相同的步骤，且随后进一步执行直到实施例4的步骤-450中通过光刻、蚀刻和金属气相沉积形成第二电极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。
步骤-610
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10A)。
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10B)。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、陶瓷板和塑料板。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，从GaN基半导体发光元件除去发光元件形成基板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极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(诸如真空沉积或溅射)形成每个都由多层膜(其中，例如，Au、Pt、Ti、Au、AuGe和Pd以该顺序被层压)构成的第一电极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，因此可以对粘合层提供流动性。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，将微粘合层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)来保持转移基板70。可以通过操作定位装置来调整转移基板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粘附到微粘合层71(参见图12B)。
接着，将GaN基半导体发光元件1或1A放置(移动或转移)到粘合层81上(参见图13A和图13B)。具体地，根据安装基板80上提供的对准记号将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。
为了方便起见，使用转移基板70的上述方法被称为“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以二维矩阵粘附到微粘合层71，且随后被转移到安装基板80上。具体地，在实施例6中，在一次步骤转移中，允许160×120个GaN基半导体发光元件1或1A以二维矩阵粘附到微粘合层71，且随后将它们转移到安装基板80上。因此，通过将逐步转移法重复108次((1,920×1,080)/(160×120)＝108)，可以将1,920×1,080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板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1或1A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，制备由玻璃基板构成的第二临时固定基板，玻璃基板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板。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和安装基板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1或1A的第二电极25上的第二绝缘层91中形成开口92。在第二电极25上形成第二配线93，以在开口92和第二绝缘层91上延伸。接着，将包括第二配线93的第二绝缘层91结合到由玻璃基板构成的支撑部件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的第一电极24上的第一绝缘层96中形成开口97。在第一电极24上形成第一配线98，以在开口97和第一绝缘层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接到驱动电路，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板的GaN基半导体发光元件的数目。此外，如上所述，构成图像显示设备或发光元件板的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的图像显示设备
无源矩阵型、直视型图像显示设备，包括(α)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。
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基半导体发光元件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，其电连接到各个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上的微透镜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、直视型图像显示设备，包括(α)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。
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的每一个的一个电极(第二电极或第一电极)连接到驱动器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。
(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(α)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，且在屏幕上执行投影以显示图像。
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板的电路图与图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镜206并被投影在屏幕上。发光元件板200的配置和结构与以上参考图14B所描述的发光元件板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(α)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，AlGaInP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；(β)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；(γ)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(δ)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板的电路图与图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极管构成，且分别构成发光元件板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(α)GaN基半导体发光元件1或1A；和(β)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1A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数目，且该数目可以为一个或两个以上。图18是图像显示设备的示意图。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1或1A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料(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镜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任意一个用作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，AlGaInP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1B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1B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1B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的任意一个构成。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。
(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(α)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(β)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/不透射以显示图像。
图20是发光元件板200等的示意图。发光元件板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的操作来控制从发光元件板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(α)具有排列成二维矩阵的发射红光半导体发光元件R(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)的发射红光元件板200R，和控制从发射红光元件板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)；(β)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，和控制从发射绿光元件板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)；(γ)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(δ)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路，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)进入二向棱镜207。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极管构成，且分别构成发光元件板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(α)发射红光半导体发光元件R(例如，AlGaInP基半导体发光元件或GaN基半导体发光元件1R)；(β)发射绿光的GaN基半导体发光元件1G；(γ)发射蓝光的GaN基半导体发光元件1B；(δ)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(ε)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的任意一个构成。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(α)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，AlGaInP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；(β)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；(γ)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；(δ)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；以及(ε)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。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极管构成，且分别构成发光元件板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的数目。
(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、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。
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)。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的选择。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，以显示图像。
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。
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，且可以将发光设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)被混合以发射白光。
可选地，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的表面光源装置使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(发光二极管)1R、1G和1B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、1G和1B可以用实施例6的发光元件组件来替代。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1B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1B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，其包括(a)具有透明第一电极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发射的光从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框343和内部框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可以由高反射银膜构成，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AlGaInP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基半导体发光元件1B发射的光和由壳体341的侧表面342B反射的光。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、棱镜片353和偏光转换片354的光学功能片组，并从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，每个发光元件行都包括预定数目的发射红光的GaN基半导体发光元件1R(或AlGaInP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行阵列。关于构成发光元件行的发光元件的数目，发光元件行包括例如两个发射红光的AlGaInP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AlGaInP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AlGaInP基半导体发光元件以该顺序排列。
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的内表面上设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上设置对准层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料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，而在图像的黑暗区域中，使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耗。在此技术中，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的任意一个相同，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脉冲宽度和/或驱动电流的脉冲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)具有透明第一电极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之间的液晶材料327；以及(d)由导光板370和光源360构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AlGaInP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对应于第一表面371和第二表面373，且截顶四边锥形的底面对应于第一侧表面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，镜面)，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被配置为面对导光板的第二表面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碰撞以被散射，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、材料等也仅为示例性的且可以适当改变。可以颠倒GaN基半导体发光元件中的层压顺序。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日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2008-104405中所公开的内容的主题，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。

Claims (19)

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级变化，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t0满足以下关系：
0.01tB≤t0≤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(1-z)N，以及
所述阱层中的每一个的成分为InyGa(1-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1×10-4≤z≤3×10-2。
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(1-z)N，以及
所述阱层中的每一个的成分为InyGa(1-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，所述阱层的数目在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/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，所述活性层具有在10-12～10-8m2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1×10-7～1×10-5m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，在其中以从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，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，在所述第三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，所述一侧较靠近所述第二GaN基化合物半导体层。
16.一种发光元件组件，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。
17.一种发光设备，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射的光激励以发射具有与所述发射的光的波长不同的波长的光，
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。
18.一种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，
所述方法包括：
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：
用于显示图像的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。
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