JP2006156733A - 半導体発光素子装置、画像表示装置及び半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】単純マトリクス方式を採用した時などにおける素子間の共通配線を用いる場合であっても、リーク電流の問題を抑えることの可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】 光を発生させる活性層を第１導電型クラッド層と反対導電型クラッド層で挟んで構成される複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を基板上に配列させ、該窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の前記第１導電型クラッド層と接続する一方の電極を複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線させると共に、該第１導電型クラッド層の厚みを１００ｎｍ以上とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は複数の半導体発光素子を基板上に配列させた半導体発光素子装置及び複数の半導体発光素子を基板上に配列させた所要の画像信号に基づき動作する画像表示装置、さらにはこれらの装置に用いられる半導体発光素子に関する。

窒化物半導体は青色発光素子や緑色発光素子を構成できる半導体材料として着目されており、活発に研究開発が進められている。このような窒化物半導体素子は、照明用光源や交通信号灯などとしても活用されているが、特にフルカラーでの発光に必要であることから、画像信号を入力して所要の画像を表示する画像表示装置としての応用が実用化されつつある。

発光ダイオードなどの窒化物半導体素子を製造する際には、青色と緑色の発光波長を有する発光ダイオードについては、一般的にはサファイア基板が使用され、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層、ｐ型ＧａＮ層がサファイア基板上に積層される。ｎ型半導体層の不純物としてはＳｉが用いられ、ｐ型半導体層にはＭｇが不純物として使用される。成長条件を適宜設定することで制御しながら青色と緑色の発光波長を有する発光ダイオードを作成することができ、結晶成長後のＬＥＤウェハは窒素雰囲気中でｐ型の活性化が行われ、リソグラフィーやエッチングなどの工程を経て、ｐ電極をｐ型ＧａＮ層上に形成し、ｎ電極がｎ型ＧａＮ層上に形成される。電極材料としては、Ni/Pt/Auなどの構造のｐ電極やTi/Alなどの構造のｎ電極が形成される。赤色発光の発光ダイオードは、一般的には、ＧａＡｓ基板を用いて製造することが行われ、ＡｌＧａＩｎＰ構造の半導体層を積層し、リソグラフィーやエッチングなどの工程を経て、ｐ電極とｎ電極が形成される。

このような構造の各色の発光波長を備えた半導体発光素子を基板上に再配列する際には、各素子がおよそ３００ミクロン程度の大きさに素子分離され、ワイヤーボンディングや樹脂成型などが施された上で、それぞれマトリクス状に配列される。例えば、ＶＧＡ（Video Graphics Array）では、６４０×４８０のドットが求められることから、発光波長を３色とした場合で、約９２万個の素子を基板上に配列することになる。

所要の基板上にマトリクス状に配列された複数の素子によって画像表示装置を製造する場合、画像信号の供給方法の１つとして単純マトリクス方式による駆動方式がある。これはX軸方向とY軸方向の2方向に配線が張り巡らされ、XとYの２方向から電圧をかけると交点の発光素子が駆動する方式である。単純マトリクス方式では、構造が簡単になることから、低コストで歩留まりもよいという利点も生ずるが、次のようにリーク電流が問題となることが明らかになってきている。

一般に、発光ダイオードなどの窒化物半導体そしでは、活性層を挟むクラッド層の膜厚を薄くすることが行われており、クラッド層の厚みを薄くすることで素子特性や素子の信頼性を高めることが行われている（例えば特許文献１参照）。
特許３３３６８５５号

ところが、このような薄いクラッド層を有するダイオードでは、逆バイアスを印加した場合にリーク電流が発生しやすく、特に単純マトリクス方式で発光素子を駆動する場合には、駆動されない素子は逆バイアスで発光しないように保持されることから、素子ごとのリーク電流が問題となる。単純マトリクス方式では、配線を簡素化するためにＸ方向とＹ方向に延長される配線がマトリクス状に配列される素子に対して共通配線にされるため、素子ごとのリーク電流も全体では１つの素子のリーク電流を素子数の合計で乗じたものに近いものとなる。例えば、１つの素子あたり１マイクロアンペアであった場合でも、前述のＶＧＡの場合には合計で１アンペア程度の非常に大きな電流となる。このような状態ではほとんど発光は期待できず、画像表示装置に供給される電力の多くはリーク電流として無駄に消費されてしまう。このため表示装置として使用することが難しいという問題が生じていた。また、非常に多くの画素数を有する表示装置に使用した場合では、リーク電流による消費電力の増大のみならず、クロストークなどによる画質低下も問題となる。

そこで、本発明は上述の技術的課題に鑑み、例えば単純マトリクス方式を採用した時などにおける素子間の共通配線を用いる場合であっても、リーク電流の問題を抑えることの可能な半導体素子装置や画像表示装置の提供を目的とする。

上述の技術的な課題に鑑み、本発明の半導体素子装置は、光を発生させる活性層を第１導電型クラッド層と反対導電型クラッド層で挟んで構成される複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を基板上に配列させ、該窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に接続する一方の電極を複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線させると共に、該第１導電型クラッド層の厚みが１００ｎｍ以上とされることを特徴とする。

本発明の半導体素子装置によれば、活性層を挟む第１導電型クラッド層と反対導電型クラッド層が設けられ、この積層構造に電流を注入することで、光を発生させることが可能となるが、一方の電極が複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線される状態において、前記第１導電型クラッド層の厚みを１００ｎｍ以上とすることで、前記第１導電型クラッド層の抵抗を増加させることができ、素子から散逸するような逆バイアス電圧の印加時におけるリーク電流を有効に抑えることができる。

同様に、本発明の画像表示装置では、光を発生させる活性層を第１導電型クラッド層と反対導電型クラッド層で挟んで構成される複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を基板上にマトリクス状に配列させ、該窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に接続する一方の電極を複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線させると共に、該第１導電型クラッド層の厚みが１００ｎｍ以上とされ、前記共通配線された電極には所要の画像信号に基づく信号が供給されることを特徴とする。

本発明の画像表示装置においては、複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が基板上にマトリクス状に配列され、共通配線された電極には所要の画像信号に基づく信号が供給されることで、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は画像信号に基づいて電流が注入され発光することになる。同様に、一方の電極は複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線される状況において、前記第１導電型クラッド層の厚みを１００ｎｍ以上とすることで、前記第１導電型クラッド層の抵抗を増加させることができ、素子から散逸するような逆バイアス電圧の印加時におけるリーク電流を有効に抑えることができる。

本発明において、前記第１導電型クラッド層の厚みは１００ｎｍ以上に設定されるが、後述するような本件発明者が行った実験結果からも明らかなように好ましくは２００ｎｍ以上とされ、より好ましくは３００ｎｍ以上に設定することができる。また、素子自体の抵抗から、第１導電型クラッド層の厚みは例えば１ミクロン程度が上限とされるが、一般的に第１導電型クラッド層は、キャリア濃度や易動度も低いため、第１導電型クラッド層の厚みの上限はデバイス特性を損なわない程度でプロセスなどを考慮しながら選択することができるものである。また、特に限定されるものではないが、素子のサイズとしては一例として１００μｍ以下程度の微小な発光ダイオードを本発明が適用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とすることができる。共通接続される素子の数についても、特に限定されるものではないが、例えば１００素子以上の素子を並べて配列するような表示装置を、本発明が適用される表示装置とすることができる。

本発明の半導体素子装置または本発明の画像表示装置によれば、一方の電極は複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線される構造において、接続する前記第１導電型クラッド層の厚みを１００ｎｍ以上とすることで、前記第１導電型クラッド層の抵抗を増加させることができ、素子から散逸するような逆バイアス電圧の印加時におけるリーク電流を有効に抑えることができる。非常に多くの画素数を有する表示装置に使用した場合でも、リーク電流による消費電力の増大のみならず、クロストークなどによる画質低下の問題も解決される。したがって、特に各画素を独立して駆動するような表示装置において、画質を向上させることができ、低消費電力化も実現される。

本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態の画像表示装置の一部を概略的に示した斜視図である。図示しない基板上に配列される複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０は略円筒形状の素子領域を有しており、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型クラッド層としてｎ型ＧａＮ層１１、１２、活性層としてＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層１３、ｐ型クラッド層としてｐ型ＧａＮ層１４が成長基板であるサファイア基板上に形成され、転写された後再配列された構造を有している。本実施形態では、ｐ型が第１導電型であり、反対導電型がｎ型である。ｎ型クラッド層としてのｎ型ＧａＮ層１１、１２はその膜厚がおよそ３μｍとされ、ｐ型クラッド層としてのｐ型ＧａＮ層１４の膜厚Tは、従来の膜厚に比べて厚く設定されて約３００ｎｍ程度に形成される。ｎ型ＧａＮ層１１、１２は素子分離の必要性から活性層側のｎ型ＧａＮ層１１がその下側のｎ型ＧａＮ層１２よりも細い円筒になるように構成されている。

ｎ型ＧａＮ層１１の底面側には、単純マトリクス配線方式で駆動するための電極層１７がX方向を長手方向としながら延長されており、X方向に隣接する他の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０と共通配線になるように設けられている。電極層１７は例えばTi/Alなどの金属膜からなるが、ITOなどの透明導電膜などをパターニングしたものであっても良い。

ｐ型クラッド層としてｐ型ＧａＮ層１４の上には、Ni/Pt/Auなどのコンタクトメタル膜１５が形成され、このコンタクトメタル膜１５上に例えばAuからなら配線層１６が形成される。この配線層１６はY方向を長手方向として延長され、図１で破線で示すようなY方向に隣接する他の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０と共通配線になるように設けられている。

このような構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０は、図２の回路図で示すように、基板上に複数個マトリクス状に配列され、それぞれ共通接続されたX配線Xn、Xn+1、Xn+2、...とY配線Ym、Ym+1、Ym+2、...の交差位置に各窒化ガリウム系化合物半導体発光素子Dn,m、...がX配線とY配線の間を接続して配設されるように構成される。本実施形態においては、Ｙ方向で共通の発色をするように素子が並べられており、X方向に進むにつれて素子の配列はR（赤色）G（緑色）B（青色）を繰り返すように配列されている。なお、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０においては、R（赤色）、G（緑色）、B（青色）のすべてを窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０で形成することも可能であるが、G（緑色）、B（青色）を窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０で構成し、同時にR（赤色）をAlGaInP系化合物半導体発光素子で形成することもできる。すなわち、単純マトリクス方式の配線を行なう場合に、本実施の形態では、全ての素子が窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０である必要はなく、一部でマトリクス状に配列されるところがあれば、その部分を構成する素子が窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０であれば良い。

図２に示すような単純マトリクス方式においては、画像表示装置として駆動する場合には、所要の画像信号に基づいて選択されたX配線と選択されたY配線の間を接続する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１０に対してだけ順方向バイアスが印加され、他の素子には逆方向のバイアスが印加される。本実施形態においては、上述のように、ｐ型クラッド層としてのｐ型ＧａＮ層１４の膜厚Tは、従来の膜厚に比べて厚く設定されて約３００ｎｍ程度に形成されることから、ｐ型クラッド層の抵抗を増加させることができ、素子から散逸するような逆バイアス電圧の印加時すなわち非選択な素子おけるリーク電流を有効に抑えることができる。

ここで説明のためにさらに単純なディスプレイとして発光ダイオードを１６０×１２０（QQVGA）素子単色で単純マトリクス配線した表示装置を考えるとき、発光ダイオード自体には微小なリーク成分が存在することから、回路的には共通配線された１６０−１＝１５９個若しくは１２０−１＝１１９個の素子に順バイアスのリークが発生し、同時に残りの１６０＊１２０−（１５９＋１１９）＝１８９２１個の発光ダイオードに逆バイアスのリークが発生する。例えば、動作電流を２０ｍAとすると、１素子あたりの逆バイアスのリークは２０ｍA/18921でおよそ１マイクロアンペアとなり、１素子あたりの逆バイアスのリークがこの１マイクロアンペアよりも小さくなければ流した電流が全てリーク電流となって消費され、所望の発光を行なうことが困難となる。このようなリーク電流を抑えるために、ｐ型クラッド層の厚みを増加させることが有効であり、素子から散逸するような逆バイアス電圧の印加時におけるリーク電流を有効に抑えることができる。また、本実施の形態によれば、非常に多くの画素数を有する表示装置に使用した場合でも、クロストークなどによる画質低下の問題も解決される。したがって、特に各画素を独立して駆動するような表示装置において、画質を大幅に向上させることができ、低消費電力化も実現される。

［実施例］
次に、上述の如きリーク電流を抑えることのできる素子について行なった実施例について図３を参照しながら説明する。実施例では、ｐ型クラッド層としてのｐ型ＧａＮ層の膜厚を８０ｎｍ,１８０ｎｍ,３６０ｎmに設定して−５Vの逆バイアスを印加した時のリーク電流を測定したものである。

先ず、発光素子を用意するために、サファイア基板上にMOCVD法によって、約３μｍのｎ型ＧａＮ層、活性層としてＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層、ｐ型クラッド層としてｐ型ＧａＮ層が積層され、このうちｐ型ＧａＮ層だけが成長条件を変えて、８０ｎｍ,１８０ｎｍ,３６０ｎmの三種類の膜厚となるように素子を成長させた。

図３に、これらの各膜厚時の−５Vの逆バイアス時のリーク電流をプロットしたものを示す。図３に示すように、膜厚８０ｎｍの場合では、そのリーク電流はマイナス６乗のオーダーを示すことから、前述のようにVGAのような表示装置では、リーク電流が大きくなってしまい、表示動作不能なども問題も発生しうることがわかる。これに対して、１８０ｎｍの膜厚の場合では、１つの素子あたりのリーク電流が２桁減少し、さらに３６０ｎｍの膜厚の場合では、膜厚８０ｎｍの場合に比べてリーク電流が４桁も減少していることがわかる。したがって、表示装置として画素の高精細化を図った場合であっても、１００ｎｍ以上の膜厚で、このましくは１５０〜２００ｎｍ以上、よりこの好ましくは３００ｎｍ以上の膜厚を有するように、ｐ型ＧａＮ層を形成することで、全体的なリーク電流を抑えることができ、クロストークなどによる画質低下の問題も解決、低消費電力化も実現される。

なお、上述の実施の形態においては、ｐ型を第１導電型として説明したが、共通配線にかかるｎ型を第１導電型とすることも可能である。また、本実施形態では、半導体発光素子装置を多色発光可能な画像表示装置として説明したが、本発明を単色の画像表示装置や、その他の発光色の切替可能な照明装置などに適用することも可能である。また、本実施形態では活性層を多重量子井戸構造としたが、単一量子井戸構造であっても良い。

本発明の半導体発光素子装置の一例を示す一部破断要部斜視図である。 本発明の単純マトリクス方式で駆動される半導体発光素子装置の一例の部分的な回路構成を示す回路図である。 本発明の半導体発光素子装置に用いられる半導体素子のｐ−クラッド層と−５Vの逆バイアス時のリーク電流の関係を示す特性図である。

符号の説明

１０ 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
１１、１２ ｎ型ＧａＮ層
１３ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層
１４ ｐ型ＧａＮ層
１５ コンタクトメタル層
１６ 配線層
１７ 電極層

Claims (11)

1. 光を発生させる活性層を第１導電型クラッド層と反対導電型クラッド層で挟んで構成される複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を基板上に配列させ、該窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に接続する一方の電極を複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線させると共に、該第１導電型クラッド層の厚みが１００ｎｍ以上とされることを特徴とする半導体発光素子装置。
2. 前記複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子はマトリクス状に前記基板上に配列され、前記共通配線は単純マトリクス方式の配線であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子装置。
3. 前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に接続する前記一方の電極は前記第１導電型クラッド層に接続する電極であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子装置。
4. 前記第１導電型クラッド層はｐ型クラッド層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子装置。
5. 前記第１導電型クラッド層はMgを不純物としてドーピングした層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子装置。
6. 前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は素子のサイズが１００μｍ以下であり、前記基板上のマトリクス状に配列されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子装置。
7. 光を発生させる活性層を第１導電型クラッド層と反対導電型クラッド層で挟んで構成される複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を基板上にマトリクス状に配列させ、該窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に接続する一方の電極を複数の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の間で共通配線させると共に、該第１導電型クラッド層の厚みが１００ｎｍ以上とされ、前記共通配線された電極には所要の画像信号に基づく信号が供給されることを特徴とする画像表示装置。
8. 前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に接続する前記一方の電極は前記第１導電型クラッド層に接続する電極であることを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
9. 選択された前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子には前記画像信号に基づいて動作電流が供給され、非選択の前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は逆バイアス状態に保持されることを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
10. 前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は１つの画素が異なる発光色の発光素子を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
11. 窒化ガリウム系化合物を用いてそれぞれ形成される、光を発生させる活性層と、該活性層を挟む第１導電型クラッド層及び反対導電型クラッド層とを有し、当該半導体発光素子に接続する一方の電極は他の半導体発光素子の間で共通配線されると共に、該第１導電型クラッド層の厚みが１００ｎｍ以上とされることを特徴とする半導体発光素子。