TWI499074B - A gallium nitride-based semiconductor element, an optical device using the same, and an image display device using the same - Google Patents

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TWI499074B
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Ippei Nishinaka
Hiroyuki Okuyama
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Description

氮化鎵系半導體元件、使用其之光學裝置及使用其之圖像顯示裝置
本發明係關於氮化鎵系半導體元件及使用其之光學裝置，以及使用其之圖像顯示裝置。
具備由氮化鎵(GaN)系化合物半導體所組成之活性層之發光元件(GaN系半導體發光元件)係藉由利用活性層之混晶組成或厚度來控制帶隙能量，可實現從紫外光至紅外光之寬廣範圍之發光波長。既已市售有發出各種色彩之光之GaN系半導體發光元件，並使用於圖像顯示裝置、照明裝置、檢查裝置用光源、消毒裝置用光源、醫療檢查裝置用光源等廣泛用途。而且，亦開發有發出藍紫色光之半導體雷射或發光二極體(LED)，並作為大容量光碟之寫入或讀取用之光拾取頭來使用。
一般而言，GaN系半導體發光元件係具有於基板上，依序疊層具有n型導電型之第一GaN系化合物半導體層、活性層及具有p型導電型之第二GaN系化合物半導體層之構造。
以下，說明關於先前技術中之GaN系半導體發光元件。
於標題為"Effect of the growth rate and the barrier doping on the morphology and the properties of InGaN/GaN quantum wells(就InGaN/GaN量子井之型態學及性質來看成長率及障壁摻雜之效果)"之後述之非專利文獻1中有以下記載。
使GaN障壁之Si摻雜從0往3×1019 cm－3 變化。除了隨著障壁之Si摻雜之增加，超晶格週期稍微減少以外，高分解能X射線繞射係對於第一次及第二次超晶格峰值之FWHM(full－width at half maximum：半高寬)之特意之狹小化、無摻雜之多重量子井及最高濃度位準3×1019 cm－3 ，分別顯示出從312、212及589往234arcsec之狹小化。
於標題為"Electromigration－induced failure of GaN multi－quantum well light emitting diode(GaN多量子井發光二極體之電遷移引發缺陷)"之後述之非專利文獻2中，有GaN MQW LED之使用壽命可從電場擴散引發缺陷(electromigration－induced failure：電遷移引發缺陷)模式外插之記載。
於標題為「提高光產生能力之III－氮化物發光器件」之後述之專利文獻1中有以下記載。
專利文獻1之發明係作為全體具有高度之光產生能力之反轉型III－氮化物發光器件(LED)。面積大(>400×400 μm2 )之器件至少具有1個n電極，此係將p電極之金屬鍍層夾於其間以縮小串聯電阻。p電極之金屬鍍層不透明，具有高反射性且為歐姆性，具有良好之電流擴散性。為了賦予LED晶片與封裝體間之電性、熱接觸，可使用中間材料，亦即可使用下部座。該器件可包含折射率高(n>1.8)之超直構造，以改善光之取出效率。
專利文獻1之發明係藉由一面增加光之取出，一面縮小從pn接合部對於照明封裝體之熱電阻，來提供具有例如超 過400×400 μm2 之大面積之伴隨最高之光產生能力之高輸出LED。為了達成此，專利文獻1之發明所採用之反轉構造係使用電阻小、不透明且反射率高之p電極。
於標題為「具有增加發光能力之III族氮化物LED之製造方法」之後述之專利文獻2有以下記載。
專利文獻2之發明為具有經增強之全體發光能力之逆轉III族氮化物發光裝置(LED)。大面積(>400×400 μm2 )裝置為了帶來低串聯電阻，具有插入於p電極金屬被覆間之至少1個n電極。該p電極金屬被覆為不透明、高反射率、歐姆性，帶來良好之電流擴散。中間材料或子座亦可為了準備LED裸晶與封裝體間之電性及熱接觸而使用。該裝置可包含獲得光抽出效率之進一步改善之高折射率(n>1.8)上層基板。
專利文獻2之發明係藉由增加光抽出，另一方面減少從pn接合對於燈封裝體之熱電阻，來提供具有最大發光能力之例如面積>400×400 μm2 等之大面積及高電力之LED。為了達成此，專利文獻2之發明所採用之逆轉構造係使用電阻小、不透明且高反射率之p電極。
於標題為「III族氮化物器件用之氮化鎵銦平滑構造」之後述之專利文獻3具有以下記載。
若根據專利文獻3之發明，有備於活性區域之成長之含有銦之斜率平滑區域係形成於III族氮化物發光器件之基板與活性區域間。於一實施型態中，斜率平滑區域係於組成加入斜率。於其他實施型態中，斜率平滑區域係於摻雜劑 濃度加入斜率。於數個實施型態中，斜率平滑區域係藉由具有一定組成及摻雜劑濃度之間隔物層，從活性區域分離。專利文獻3之發明之斜率平滑區域可使成長於斜率平滑區域，特別是成長於活性區域上之層之表面特性提升。
於專利文獻3之發明之第一實施型態中，平滑層比間隔物層甚高濃度地摻雜。平滑層係摻雜有Si至例如2×1017 cm－3 與2×1019 cm－3 間之濃度。於第一實施型態中，間隔物層為n型，例如以無摻雜至2×1018 cm－3 間之濃度摻雜Si。
第一實施型態之間隔物層具有低於n型區域12之低摻雜劑濃度，因此該間隔物層係可有助於電流均勻地擴散於活性區域內之更具電阻性之層，防止電流在n接觸與p接觸間之最短路徑內變得過密。間隔物層之厚度係根據該間隔物層之摻雜劑濃度來選擇，以使該間隔物層不會使器件之順電壓顯著增加。
若根據專利文獻3之發明，含有銦之平滑構造可提供數個優點。第一，藉由使用平滑構造，即使於非期望之三維島狀成長開始後，仍可回復平滑半導體表面之二維之階段－流型成長。三維島狀成長可能由於基板表面甚大之誤配向、不充分之表面處理或設計為減少如矽注入之結晶性轉位之密度之成長開始階段而引起。如上述，表面型態對於器件性能具有影響，故平滑構造可提高III族氮化物LED之效率及可靠性雙方。
於標題為「氮化物半導體元件之製造方法、氮化物半導體元件」之後述之專利文獻4有以下記載。
專利文獻4之發明之氮化物半導體元件之特徵在於具有：第一氮化物半導體層；活性層，其係疊層於該第一氮化物半導體層上；及第二氮化物半導體層，其係與前述第一氮化物半導體層為相反導電型，並疊層於前述活性層上；前述第二氮化物半導體層之成長溫度設為900℃以下，且前述第二氮化物半導體層具有呈現平坦化面之膜厚。
將氮化物半導體層製成氮化鎵層之情況時，一般以950℃程度成長之氮化鎵層容易產生成長凹坑，但相反地於以更低之900℃以下之低溫成長之情況時，由於III族原子之表面擴散長變短，因此成為成長凹坑少之平坦膜。因此，於製作器件之情況時，可實現漏電流等之減低。
於標題為「氮化物半導體裝置及其半導體元件」之後述之專利文獻5有以下記載。
圖13係說明先前技術之LED元件之圖，其為專利文獻5所記載之圖14。
[實施例3]說明關於將專利文獻5之發明適用於以氮化物半導體所構成之發光二極體(LED)之實施例。圖13係表示將專利文獻5之發明適用於LED之構造之圖，圖中符號241為SiC基板，242為AlN緩衝層(100 nm)，243為Si摻雜GaN層(1 μm)，244為InGaN漸變層(30 nm)，245為未摻雜雜質之InGaN/GaN超晶格(活性層)，246為InGaN漸變層(30 nm)，247為Mg摻雜GaN層(500 nm)，248為Al/Au電極，249為Pd/Au電極。
與實施例1相同，藉由MOVPE法，於SiC基板241上成長磊晶構造，利用ECR蝕刻法加工，並藉由電子束蒸鍍來形成電極。活性層245為InGaN/GaN超晶格，於該超晶格中之障壁層之In組成為6%，井層之In組成為10%。障壁層及井層之厚度分別為5 nm及2 nm，井層之數目為5層。插入於n型雜質243與活性層245間之InGaN層244之In組成係從n型雜質層243往活性層245，從0%增加至6%。藉由該構造，帶隙係從基板側往表面側逐漸變小。
而且，插入於活性層245與p型雜質層247間之InGaN層246之In組成係從活性層245往p型雜質層247，從6%減少至0%。藉由該構造，帶隙係從基板側往表面側逐漸變大。2個InGaN漸變層244,246之厚度固定於30 nm。然後，插入於n型雜質層243與活性層245間之InGaN漸變層244係製作有未摻雜n型雜質之Si雜質之構造及摻雜有1×1018 cm－3 之Si雜質之構造。
而且，插入於活性層245與p型雜質層247間之InGaN漸變層246亦製作有未摻雜p型雜質之Mg雜質之構造及摻雜有1×1018 cm－3 之Mg雜質之構造。
若於該等2種構造施加電壓，則LED會動作並發光。適用專利文獻5之發明，於InGaN漸變層244,246摻雜1×1018 cm－3 之n型或p型雜質，藉此即使以低電壓仍可提高發光輸出。進一步藉由進行n型雜質(Si)及p型雜質(Mg)雙方之摻雜，以3 V以下之低電壓亦可引起發光。
於標題為「氮化物半導體元件」之後述之專利文獻6有 以下記載。
圖14係說明先前技術之GaN系半導體元件(LED元件)之圖，其為專利文獻6所記載之圖1。
圖14係表示專利文獻6之發明之一實施型態之氮化物半導體元件(LED元件)之構造之模式剖面圖，本實施型態之氮化物半導體元件係具有於藍寶石基板101上，依序疊層有(1)由AlGaN所組成之緩衝層102，(2)無摻雜GaN層103，(3)由Si摻雜GaN所組成之n型接觸層104，(4)無摻雜GaN層105，(5)Si摻雜GaN層106，(6)無摻雜GaN層107，(7)GaN/InGaN超晶格n型層108，(8)以InGaN層為井層，以GaN層為障壁層之多重量子井構造之活性層109，(9)p－AlGaN/p－InGaN超晶格p型層110，(10)Mg摻雜GaN/Si摻雜GaN調變摻雜p側接觸層111之構造；如以下形成p側及n側電極而構成。
n歐姆電極121係於例如元件之角落部，藉由蝕刻從p側接觸層111去除至無摻雜GaN層105，使n型接觸層104之一部分露出，並形成於露出之n型接觸層104上。
而且，作為p側電極係於p側接觸層111上之大致整面，形成p歐姆電極122，於該p歐姆電極122上之一部分，形成p墊電極123。
於此，特別是本實施型態之氮化物半導體元件之特徵在於，藉由交互疊層有Mg摻雜GaN層111a及Si摻雜GaN層111b之調變摻雜層，來構成p側接觸層111，藉此減低漏電流且提升靜電耐壓。
於本實施型態，作為p側接觸層111(Si摻雜GaN層111b)之適宜之Si摻雜量為1×1017 /cm3 ~1×1021 /cm3 ，更宜於1×1018 /cm3 ~5×1019 /cm3 之範圍調整。此係由於藉由設為1×1017 /cm3 以上，縮小漏電流之效果會顯著出現，若大於1×1021 /cm3 ，則結晶性變差，發光效率傾向降低。
於標題為"Microstructure origin of leakage current InGaN/InGaN light－emitting diodes(InGaN/InGaN發光二極體之漏電流之微構造源)"之後述之非專利文獻3有以下記載：使溫度上升之情況下之LED之典型之逆I－V特性(圖2(a))之記載；漏電流與活性層面積(junction Area：接合區)成比例(圖2(b))之記載；及形態與電流示意之相關係確實證明，V－defect及與此相關連之混合轉位或螺旋轉位為在低施加偏壓之高度被局部化之接合漏洩之記載。
於標題為"High luminescent efficiency of InGaN multiple quantum wells grown on InGaN underlying layers(成長於InGaN基底層上之InGaN多重量子井之高發光效率)"之後述之非專利文獻4有以下記載。
藉由厚度~50 nm之InGaN基底層，大幅減少InGaN多重量子井之非放射再結合中心，其結果，以往所報告之室溫下之光致發光(PL)之內部量子效率(ηint )為~30，但獲得射出藍紫光(~400 nm)之InGaN多重量子井之充分高之內部量子效率(ηint )0.71。作為摻雜有濃度2×1018 /cm－3 之Si之厚度50 nm之基底層，準備使用氫並以1000℃成長之GaN、使用氮並以780℃成長之GaN、及使用氮並以780℃成長之 In0.04 Ga0.96 N。
於標題為「GaN系半導體發光元件及其製造方法」之後述之專利文獻7有以下記載。
專利文獻7之發明之目的係提供一種具有以高動作電流密度之驅動來達成高發光效率，同時可實現動作電壓之大幅減低之構造之GaN系半導體發光元件，及其製造方法。
關於專利文獻7之發明之第一態樣之GaN系半導體發光元件之特徵在於具備：(A)具有n型導電型之第一GaN系化合物半導體層；(B)活性層；及(C)具有p型導電型之第二GaN系化合物半導體層；進一步具備：(D)由形成於第一GaN系化合物半導體層與活性層間之GaN系化合物半導體所組成基底層；及(E)形成於活性層與第二GaN系化合物半導體層間，由GaN系化合物半導體所組成，並含有p型摻雜物之超晶格構造層。
關於用以達成上述目的之專利文獻7之發明之第二態樣之GaN系半導體發光元件之特徵在於具備：(A)具有n型導電型之第一GaN系化合物半導體層；(B)活性層；及(C)具有p型導電型之第二GaN系化合物半導體層；進一步具備：(D)由形成於第一GaN系化合物半導體層與活性層間之GaN系化合物半導體所組成基底層；第二GaN系化合物半導體層具有超晶格構造。
於關於包含以上所說明之適宜結構、型態之專利文獻7之發明之第一態樣或第二態樣之GaN系半導體發光元件中，基底層亦可與活性層直接鄰接，或可於活性層與基底 層間，形成由無摻雜GaN系化合物半導體所組成之下層間隔物層，該下層間隔物層之厚度為50 nm以下，可期望為20 nm以下之結構。而且，基底層之厚度為20 nm以上，期望宜為50 nm以上。此外，作為基底層厚度之上限，可例示1ηm。進一步而言，基底層及活性層含有In，基底層之In組成比率為0.005以上，且宜低於活性層之In組成比率。而且，基底層含有n型摻雜物(例如Si)，n型摻雜物之濃度為1×1016 /cm3 至1×1021 /cm3 ，期望宜為2×1017 /cm3 至2×1019 /cm3 。於此，基底層基本上亦可製成由單一組成所組成之結構，或具有逐漸變化之組成之結構。而且，基底層宜對於發光波長呈透明。
[專利文獻1]日本特開2001－203386號公報(段落0008、段落0018、圖6) [專利文獻2]日本特開2001－237458號公報(段落0009、段落0029、圖6) [專利文獻3]日本特開2002－299685號公報(段落0004、段落0009~0010、段落0031、圖1、圖3) [專利文獻4]日本特開2002－319702號公報(段落0016~段落0017) [專利文獻5]日本特開2003－59938號公報(段落0062~0067、圖14) [專利文獻6]日本特開2004－112002號公報(段落0011~0012、圖1) [專利文獻7]日本特開2007－80996號公報(段落0008~ 0010、段落0015)
[非專利文獻1]S.Keller et al., "Effect of the growth rate and the barrier doping on the morphology and the properties of InGaN/GaN quantum wells(就InGaN/GaN量子井之型態學及性質來看成長率及障壁摻雜之效果)",J.Cryst.Growth.195(1998)258－264(3.2 Effect of the silicon doping during LT GaN：3.2 LT GaN期間之矽摻雜效果) [非專利文獻2]H.Kim et al.,"Electromigration－induced failure of GaN multi－quantum well light emitting diode(GaN多量子井發光二極體之電遷移引發缺陷)",Electronics Letters vol.36 NO.10(2000)908－910(摘要) [非專利文獻3]X.A.Cao et al., "Microstructure origin of leakage current InGaN/InGaN light－emitting diodes(InGaN/InGaN發光二極體之漏電流之微構造源)",J.Cryst.Growth.264(2004)172－177(3.Results and discussion,圖2(a)、圖2(b)) [非專利文獻4]T.Akasaka et al., "High luminescent efficiency of InGaN multiple quantum wells grown on InGaN underlying layers(成長於InGaN基底層上之InGaN多重量子井之高發光效率)",App.Phys.Lett.Vol.85,No.15(2004)3089－3091(第3089頁左欄第29行~同欄第36行、第3089頁右欄第19行~第3090頁左欄第1行)
於GaN系化合物半導體之pn構造所組成之發光元件(發光二極體或雷射二極體)，於逆偏壓施加時可能發生漏電流(或漏電流)，而且於使用GaN系化合物半導體之光偵測器(或受光元件)，使無偏壓或逆偏壓施加進行動作，光未照射於活性層之情況時，黑暗電流(或暗電流)可能發生。
發光元件之漏電流會成為例如非特意流入之電流所造成之耗電增大或電路故障之原因，於搭載許多個發光元件之光學裝置，有成為串音之原因之問題。而且，受光元件之暗電流具有使作為光檢測器(受光裝置)之S/N降低之問題。
於GaN系化合物半導體之pn接合所組成之發光元件，為了保持安定之良好動作特性，強烈期望抑制於逆偏壓施加時所發生之漏電流、防止漏電流發生所造成之耗電增大或電路故障、及抑制搭載有許多個發光元件之光學裝置之串音。
作為發光元件之漏電流或受光元件之暗電流之發生要因，據判為GaN系化合物半導體之結晶所產生之V－effect及與其相關連之混合轉位或螺旋轉位之存在。
以往，據知藉由使用低轉位密度之基板，例如使用於藍寶石基板上利用選擇成長，使其橫向成長之基板或體塊GaN基板，可減低漏電流，但為了謀求減低漏電流，必須使用該類特殊基板，成為低成本化之阻止要因。
將發光元件(LED)予以器件化時，有於單面形成pn兩電極之方法、剝離藍寶石基板等或使用導電性基板並於上下 面形成電極之方法。於單面形成pn兩電極之情況時，有例如使用半透明p型電極之型態或使用反射電極之覆晶型等。任一情況均藉由擴展活性層之面積，驅動電流密度會降低，可期待高效率，但除了活性層之面積增加以外，漏電流亦可能構成問題。
而且，於使用導電性之基板或剝離藍寶石等之基板並於上下面形成電極之方法中，不須藉由蝕刻來削去活性層以製作單方之電極，可將晶片之大致整面作為活性層(junction area：結合層)。此係由於即使為相同之晶片外尺寸，由於可寬廣地取定活性層之面積，因此除了步驟簡略化以外，亦對於高效率化有效，但與上述同樣有漏電流之疑慮。
此外，GaN系半導體發光元件(以下亦稱為GaN系發光元件)不僅可為各種封裝體型態，依用途或光量，GaN系發光元件之大小亦不同，而且由於因應GaN系發光元件之大小，標準之驅動電流(動作電流)不同等，因此難以直接比較GaN系發光元件之特性之電流值依存性。
於以下說明中，為了一般化，不藉由GaN系發光元件之驅動電流值本身來表示，而藉由以活性層之面積(接合區域之面積)除以驅動電流值之驅動電流密度(單位：A/cm2 )來表示。同樣地，不藉由GaN系發光元件之漏電流值本身來表示，而藉由以活性層之面積除以漏電流值之漏電流密度(單位：A/cm2 )來表示。同樣地，關於GaN系半導體元件構成作為受光元件之GaN系半導體受光元件之暗電流，藉 由以活性層之面積除以暗電流值之暗電流密度(單位：A/cm2 )來表示。
於以下說明中，pn構造所組成之GaN系半導體元件係構成作為發光元件或受光元件，但動作功能不限定於作為發光元件或受光元件，於說明GaN系半導體元件之情況下，亦將逆偏壓施加於GaN系半導體元件時所產生之電流稱為漏電流。
pn構造所組成之GaN系半導體元件之漏電流據判與摻雜於GaN系化合物半導體之雜質濃度有關係，但迄今並無具體測定該關係並確認之報告。特別是關於在包含n型導電型層之第一GaN系化合物層與包含p型導電型層之第二GaN系化合物層間形成有活性層之發光元件，並無藉由具體測定確認包含n型摻雜物(例如Si)之上述n型導電體層之n型摻雜物之濃度與發光元件之漏電流之關係(摻雜濃度依存性)之報告。
於專利文獻3有Si摻雜至2×1017 /cm－3 與2×1019 /cm－3 間之濃度之記載，於非專利文獻4有關於2×1018 /cm－3 之Si摻雜之記載，於專利文獻7有n型摻雜物之濃度為1×1016 /cm3 至1×1021 /cm3 ，期望宜為2×1017 /cm3 至2×1019 /cm3 之記載，於非專利文獻1有使Si摻雜從0往3×1019 /cm－3 變化之記載，於專利文獻5有製作摻雜有1×1018 /cm－3 之Si雜質之構造之記載，但於任一文獻中，於發光元件均未針對上述n型導電體層之n型摻雜物之濃度與漏電流之關係調查，亦未考慮關於在將許多個發光元件予以共同布線所構成之光學裝置 發生之問題，而且亦未提及受光元件。
於專利文獻6有關於p側接觸層之適宜之Si摻雜量之記載，於發光元件均未針對上述n型導電型層之n型摻雜物之濃度與漏電流之關係調查，亦未考慮關於在將許多個發光元件予以共同布線所構成之光學裝置發生之問題，而且亦未提及受光元件。
將發光元件(LED)予以器件化時，有於單面形成pn兩電極之方法、剝離藍寶石基板等或使用導電性基板並於上下面形成電極之方法。於單面形成pn兩電極之情況時，有例如使用半透明p型電極之型態或使用反射電極之覆晶型等。任一情況均藉由擴展活性層之面積，驅動電流密度會降低，可期待高效率，但除了活性層之面積增加以外，漏電流亦可能構成問題。
而且，於使用導電性之基板或剝離藍寶石等之基板並於上下面形成電極之方法中，不須藉由蝕刻來削去活性層以製作單方之電極，可將晶片之大致整面作為活性層(junction area：結合層)。此係由於即使為相同之晶片外尺寸，由於可寬廣地取定活性層之面積，因此除了步驟簡略化以外，亦對於高效率化有效，但與上述同樣有漏電流之疑慮。
本發明係為了解決如上述之問題所實現者，其目的在於提供一種可抑制於逆偏壓施加時所發生之漏電流之氮化鎵(GaN)系半導體元件及使用其之光學裝置，以及使用其之圖像顯示裝置。
亦即，本發明係關於一種氮化鎵系半導體元件，其含有：包含n型導電型層之第一GaN系化合物層、包含p型導電型層之第二GaN系化合物層、及形成於前述第一GaN系化合物層與前述第二GaN系化合物層之間之活性層；前述第一GaN系化合物層包含n型雜質濃度為3×1018 /cm3 以上、3×1019 /cm3 以下之基底層；於施加有5 V之逆向偏壓之情況下，前述活性層之每單位面積所流之電流之密度即漏電流密度為2×10－5 A/cm2 以下。
而且，本發明係關於一種光學裝置，其係上述氮化鎵系半導體元件排列為2維矩陣狀者；排列於第一方向各列之複數個前述氮化鎵系半導體元件之第一電極連接於前述第一方向各列之共同布線，排列於第二方向各行之複數個前述氮化鎵系半導體元件之第二電極連接於前述第二方向各行之共同布線。
而且，本發明係關於一種圖像顯示裝置，其藉由上述光學裝置構成有像素部，前述GaN系半導體元件係被動矩陣驅動。
若根據本發明之氮化鎵系(以下簡稱為GaN系)半導體元件，由於具有：包含n型導電型層之第一GaN系化合物層、包含p型導電型層之第二GaN系化合物層、及形成於前述第一GaN系化合物層與前述第二GaN系化合物層之間之活性層；且前述第一GaN系化合物層包含n型雜質濃度 為3×1018 /cm3 以上、3×1019 /cm3 以下之基底層；因此於施加有5 V之逆向偏壓之情況下，可使前述活性層之每單位面積所流之電流之密度即漏電流密度成為2×10－5 A/cm2 以下，可抑制漏電流，防止由於串音所造成之特性降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性。
若根據本發明之光學裝置，由於其為上述GaN系半導體元件排列為2維矩陣狀之光學裝置，排列於第一方向各列之複數個前述GaN系半導體元件之第一電極連接於前述第一方向各列之共同布線，排列於第二方向各行之複數個前述GaN系半導體元件之第二電極連接於前述第二方向各行之共同布線，於施加有逆向偏壓之情況下，會抑制漏電流，防止由於串音所造成之特性降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性。
若根據本發明之圖像顯示裝置，由於藉由上述光學裝置構成有像素部，且前述GaN系半導體元件係被動矩陣驅動，因此於施加有逆向偏壓之情況下，會抑制漏電流，防止由於串音所造成之畫質降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性。
於本發明之GaN系半導體元件，其結構係前述基底層之n型雜質濃度為4×1018 /cm3 以上，前述漏電流密度為8×10－6 A/cm2 以下即可。藉由該結構，由於在施加有逆向偏壓之情況下，會抑制漏電流，因此防止由於串音所造成之特性 降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性。
而且，其結構係前述基底層之n型雜質濃度為8×1018 /cm3 以上，前述漏電流密度為1×10－6 A/cm2 以下即可。藉由該結構，由於在施加有逆向偏壓之情況下，會抑制漏電流，因此進一步防止由於串音所造成之特性降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性。
而且，其結構係前述基底層之n型雜質濃度為1×1019 /cm3 以上，前述漏電流密度為6×10－7 A/cm2 以下即可。藉由該結構，由於在施加有逆向偏壓之情況下，會抑制漏電流，因此進一步防止由於串音所造成之特性降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性。
而且，其結構係前述基底層及前述活性層由含有In之GaN系化合物層構成，構成前述基底層之前數GaN系化合物層之In組成比率為0.005以上，低於構成前述活性層之前述GaN系化合物層之In組成比率即可。藉由該結構，可獲得使GaN系半導體元件高效率化之效果或低電壓化之效果。
而且，其結構係前述基底層之厚度為5 nm以上、5 μm以下即可。藉由該結構，不導致結晶品質降低，並可獲得能使GaN系半導體元件低電壓化之效果。
而且，其結構係前述基底層之厚度為20 nm以上、1 μm以下即可。藉由該結構，可實現更高品質之結晶，可獲得能使GaN系半導體元件更低電壓化之效果。
而且，其結構係前述第二GaN系化合物層包含GaN層，其係摻雜有p型雜質之厚度為100 nm以上即可。藉由該結構，由於前述第二GaN系化合物層亦作為GaN系半導體元件之表面保護層發揮作用，因此不使GaN系半導體元件之動作電壓增加，並可實現對於活性層之損傷或漏電流少之元件。
而且，可製成前述第一GaN系化合物層為摻雜有Si作為n型雜質之GaN之結構。
而且，其結構係形成有包含前述第一GaN系化合物層之p型GaN層、及包含前述第二GaN系化合物層及前述基底層之n型GaN層，具有對於前述p型GaN層或前述n型GaN層之主面傾斜角度θ1 之端面，於前述端面之外部，形成與前述端面相對向且具有對於前述主面傾斜比前述角度θ1 小之角度θ2 之部分之反射體即可。藉由該結構，於將GaN系半導體元件構成作為發光元件之情況時，可實現從發光元件之高度之光取出效率(光射出效率)，而且於GaN系半導體元件構成作為受光元件之情況時，可實現對於受光元件之高度之光取入效率(光受光效率)。
而且，構成作為發光元件之GaN系半導體元件即可。藉由該結構，由於在施加有逆向偏壓之情況下，會抑制漏電流，因此可實現抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性之發光元件。
而且，構成作為受光元件之GaN系半導體元件即可。藉由該結構，由於在施加有逆向偏壓以使其動作之情況下， 會抑制漏電流，因此可實現能防止電路故障，保持安定之良好動作特性之受光元件。
本發明之光學裝置係上述GaN系半導體元件構成作為發光元件或受光元件，於上述GaN系半導體元件構成作為發光元件之情況時，藉由排列為2維矩陣狀之發光元件來射出光，或者於上述GaN系半導體元件構成作為受光元件之情況時，藉由排列為2維矩陣狀之受光元件來接受光。藉由該結構，即使於搭載有許多個GaN系半導體元件之光學裝置中，仍可抑制串音，提升發光效率(或受光效率)，可保持安定之良好動作特性。此外，取代排列為2維矩陣狀，當然上述GaN系半導體元件排列為1維矩陣狀之結構亦可。
本發明之圖像顯示裝置係使用上述GaN系半導體元件構成作為發光元件或受光元件之上述光學裝置者，於上述GaN系半導體元件構成作為發光元件之情況時，藉由上述光學裝置構成像素部，顯示利用藉由排列為2維矩陣狀之發光元件所射出之光來形成之圖像。或者，於上述GaN系半導體元件構成作為受光元件之情況時，藉由上述光學裝置構成第一像素部，於該第一像素部，藉由排列為2維矩陣狀之受光元件來接受光，根據藉由各受光元件所接受之光之強弱信號來形成之圖像係顯示於與前述第一像素部不同之第二像素部。藉由該類結構，由於在施加有逆向偏壓之情況下，會抑制漏電流，因此可抑制串音所造成之特性降低，可保持安定之良好動作特性。
而且，其結構具有10萬個以上之GaN系半導體元件即可。藉由該結構，於使用分別射出紅色光(R)、藍色光(B)、綠色光(G)之GaN系半導體元件進行彩色顯示之QVGA(Quarter Video Graphic Array(四分之一視訊圖形陣列)、像素數320×420)、SVGA(Super Quarter Video Graphic Array(超級四分之一視訊圖形陣列)、像素數800×600)、WVGA(Wide Quarter Video Graphic Array(寬四分之一視訊圖形陣列)、像素數800×480)等之圖像顯示裝置，防止由於串音所造成之特性降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性。
而且，其結構具有100萬個以上之GaN系半導體元件即可。藉由該結構，於使用分別射出紅色光(R)、藍色光(B)、綠色光(G)之GaN系半導體元件進行彩色顯示之全規高畫質等之圖像顯示裝置，可實現防止由於串音所造成之特性降低，並且抑制耗電增加，可防止電路故障，保持安定之良好動作特性之圖像顯示裝置。
根據本發明之GaN系化合物半導體元件(以下稱為GaN系半導體元件)係具有第一GaN系化合物層，其係包含n型導電型層；第二GaN系化合物層，其係包含p型導電型層；及活性層，其係形成於第一GaN系化合物層與第二GaN系化合物層間，射出光或接受光；且第一GaN系化合物層包含n型雜質濃度為3×1018 /cm3 以上、3×1019 /cm3 以下之GaN系化合物半導體所組成之基底層。
GaN系半導體元件係構成作為活性層射出光之發光元件 或活性層接受光之受光元件。於GaN系半導體元件施加有5 V之逆向偏壓之情況下，可使前述活性層之每單位面積所流之電流之密度即漏電流密度成為2×10－5 A/cm2 以下。
複數上述GaN系半導體元件排列為2維矩陣狀而構成光學裝置，排列於第一方向之各列之複數GaN系半導體元件之第一電極連接於第一方向之各列之共同布線，排列於第二方向之各行之複數GaN系半導體元件之第二電極連接於第二方向之各行之共同布線。
複數GaN系半導體元件構成作為發光元件，藉由上述光學裝置構成像素部之圖像顯示裝置係GaN系半導體元件被予以被動矩陣驅動。複數GaN系半導體元件構成作為受光元件，藉由上述光學裝置構成受光部之2維受光裝置係GaN系半導體元件被予以被動矩陣驅動。
GaN系化合物半導體之pn構造所組成之發光元件係於逆偏壓之施加時，可能發生電流。於GaN系化合物半導體構成作為發光元件之情況時，於逆偏壓施加時所發生之漏電流成為耗電增大、電路故障之原因，於連接並控制複數發光元件之裝置成為串音之原因。而且，於GaN系化合物半導體構成作為受光元件之情況時，於逆偏壓施加時所發生之暗電流成為作為光檢測器(受光器)之S/N降低之原因。
於以下說明中，採取GaN系化合物半導體構成作為發光元件，於逆偏壓之施加時，電流為漏電流之情況來說明。此外，於GaN系化合物半導體構成作為受光元件，逆偏壓施加時，電流為暗電流之情況時，以下說明係將發光改述 為受光，漏電流改述為暗電流即可。
上述漏電流據判起因於轉位或缺陷而發生。於本發明，藉由實際測定已確認，即使於轉位或缺陷之存在下，藉由控制摻雜於構成第一GaN系化合物層之GaN系化合物半導體組成之基底層之元素之摻雜濃度，可大幅抑制於逆偏壓施加時所流入之漏電流。
如於一般之半導體物理之教科書所述，PN接合附近之高濃度摻雜係擴大PN接合之接合電場。作為器件劣化之主要因可舉出電場擴散(electromigration)，預測大接合電場會引起電場擴散，成為漏電流之原因。
本發明係藉由實際測定來確認有違該預測之結果。而且，n型雜質本身擴散之情況亦可考慮PN接合之界面附近之高濃度摻雜成為漏洩源之可能性，實際上作為測定結果係獲得大幅減低之漏電流。
本發明係於具有p型層及n型層之氮化鎵系發光元件，將n型基底層之摻雜濃度設為3×1018 /cm－3 以上、9×1019 /cm－3 以下之結構，亦即增大原本摻雜量少之層之摻雜量之結構。藉由該類結構，可使施加有5 V之逆向偏壓之情況時所發生之漏電流密度(活性層之每單位面積所流之漏電流之密度)成為2×10－5 A/cm2 以下。更期望宜將n型基底層之摻雜濃度設為4×1018 /cm3 以上、8×1018 /cm3 以上、1×1019 /cm3 以上，藉此可分別使漏電流密度成為8×10－6 A/cm2 以下、1×10－6 A/cm2 以下、6×10－7 A/cm2 以下。
藉由該類結構，可抑制逆偏壓施加時所發生之漏電流發 生，而且於連接並控制許多個該發光元件之裝置之例如圖像顯示裝置，可抑制不良影響甚大之漏電流，可抑制串音，保持安定之良好動作特性。
以下，參考圖式來詳細說明關於根據本發明之實施型態。
實施型態
圖1係說明於本發明之實施型態之GaN系半導體發光元件之基底層之Si摻雜濃度與漏電流密度之關係之圖。
於圖1，橫軸表示摻雜於基底層之每單位面積之Si濃度，縱軸表示施加逆偏壓(5 V)時之漏電流密度(於活性層之每單位面積所流之漏電流)。
本發明之GaN系半導體元件具有：第一GaN系化合物層，其係包含n型導電型層；第二GaN系化合物層，其係包含p型導電型層；及活性層，其係形成於第一GaN系化合物層與第二GaN系化合物層間，並射出光；第一GaN系化合物層包含摻雜Si作為n型雜質之基底層。此外，利用圖2，於後面敘述構成第一GaN系化合物層及第二GaN系化合物層之各個之各層之詳細。
從圖1所示之結果，依摻雜於基底層之Si濃度，漏電流密度會變化，可藉由Si摻雜濃度控制漏電流密度。
若基底層之Si摻雜濃度設為2×1018 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約1×10－4 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為3×1018 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約2×10－5 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為4×1018 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約8×10－6 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為5×1018 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約3×10－6 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為8×1018 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約1×10－6 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為1×1019 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約6×10－7 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為1.3×1019 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約3×10－7 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為2×1019 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約1×10－7 A/cm2 以下。
若基底層之Si摻雜濃度設為3×1019 /cm3 以上，則可使漏電流密度成為約4×10－8 A/cm2 以下。
於此，作為單純之顯示器，考慮以160×120(QQVGA(Quarter Quarter Video Graphic Array：四分之一再四分之一視訊圖形陣列))元件，將發光元件予以單純矩陣布線之單色圖像顯示裝置時，例如若將驅動電流密度設為10 A/cm2 ~100 A/cm2 ，每1元件之逆偏壓施加時之漏電流密度成為((0.5~5)mA/cm2 /18921＝約(0.5~5)mA/cm2 。若每1發光元件之逆偏壓施加時之漏電流密度大於該約(0.5~5)mA/cm2 ，則所流之電流全部成為漏電流並消耗，難以進行所需之發光。
因此，每1發光元件為了進行所需發光，要求對於驅動 電流密度，將漏電流密度抑制為約2萬分之1以下，要求使漏電流密度成為約(0.5~5)mA/cm2 以下。
該情況下，為了使每1發光元件之逆偏壓施加時之漏電流密度成為(0.5~5)mA/cm2 以下，必須將圖2所示之基底層14之Si摻雜濃度設為3×1018 /cm3 以上。
進一步而言，作為對比率要求1：500以上之情況時，要求將漏電流密度對於驅動電流密度抑制為約1千萬(107 )分之1，亦即抑制為約(1~10)μA/cm2 以下。
該情況下，為了使每1發光元件之逆偏壓施加時之漏電流密度成為(1~10)μA/cm2 以下，必須將圖2所示之基底層14之Si摻雜濃度設為(8×1018 /cm3 ~3×1018 /cm3 )以上，若將Si摻雜濃度設為3×1018 /cm3 以上，則可使漏電流密度確實地成為1 μA/cm2 以下，可有效地減低逆偏壓電壓施加時之漏電流。
此外，若基底層之Si摻雜濃度為3×1019 /cm3 以下，則可使1 μm程度之平坦膜安定成長。而且，若基底層之Si摻雜濃度為2×1019 /cm3 以下，則可不受限於膜厚，可使平坦膜安定成長。
如以上所說明，漏電流密度設為10 mA/cm2 ~100 A/cm2 時，若使基底層之Si摻雜濃度成為3×1018 /cm3 以上，則可將漏電流密度對於驅動電流密度抑制為2萬分之1以下，若使基底層之Si摻雜濃度成為(8×1018 /cm3 ~3×1018 /cm3 )以上，則可將漏電流密度對於驅動電流密度抑制為1千萬分之1以下。
因此，於pn構造所組成之GaN系半導體元件中，可抑制逆偏壓施加時所發生之漏電流，於搭載有複數GaN系半導體元件之光學裝置中，亦可抑制串音，可提升發光效率或受光效率，可實現使用搭載有複數GaN系半導體元件之光學裝置之圖像顯示裝置，可保持安定之良好動作特性。
圖2係概念式地表示說明於本發明之實施型態之GaN系半導體發光元件之層結構之圖。
如圖2所示，GaN系發光元件1具有：包含n型導電型層之第一GaN系化合物23、活性層16及包含p型導電型層之第二GaN系化合物29；於第一GaN系化合物層23，形成有GaN系化合物半導體所組成基底層14。
第一GaN系化合物層23係由厚度30 nm之緩衝層(亦稱LT－GaN層、低溫堆積GaN緩衝層、低溫緩衝層)11、厚度1 μm之無摻雜GaN層12、Si摻雜濃度5×1018 /cm3 且具有厚度3 μm之n型導電型之第一GaN系化合物半導體層(GaN：Si層)13、具有如圖1所示之Si摻雜濃度之厚度150 nm之基底層(In0.03 Ga0.97 N：Si層)14及厚度5 nm之下層間隔物層(無摻雜GaN層)15構成，於基板(藍寶石基板)10上依序形成各層。
於基底層14上，形成厚度111 nm之活性層(InGaN/GaN多重量子井層)16，活性層16係由交互地形成之厚度3 nm之井層(In0.23 Ga0.77 N層)16a、及厚度15 nm之障壁層(GaN層)16b構成。於圖1所示之例中，活性層16係由7層之井層16a及6層之障壁層16b構成。於活性層16上形成有第二 GaN系化合物29。此外，活性層16之In組成比率(0.23)係高於基底層14之In組成比率(0.03)。
第二GaN系化合物29係由厚度10 nm之上層間隔物層(無摻雜GaN層)17、Mg摻雜濃度為5×1019 /cm3 且厚度20 nm之AlGaN層(Al0.15 Ga0.85 N：Mg層)18、Mg摻雜濃度為5×1019 /cm3 且具有厚度100 nm之p型導電型之第二GaN系化合物半導體層(GaN：Mg層)19、Mg摻雜濃度為1×1020 /cm3 且厚度5 nm之接觸層(In0.15 Ga0.85 N：Mg層)20構成，於活性層16上依序形成各層。
於本實施型態，由於基底層14形成於第一GaN系化合物半導體層13與活性層16間，因此可謀求提升形成於其上或上方之活性層16之結晶性，結果可達成例如動作電壓大幅降低之GaN系發光元件1之特性改善。
此外，構成第一GaN系化合物層23之各層及構成第二GaN系化合物層29之各層係對於發光波長呈透明。以下，說明關於圖2所示之各層。
藍寶石基板10：
藉由為使結晶成長之基體，並且具有剛玉構造之C面方位，來決定於其上成長之氮化鎵結晶之配向。藉由使用特意地傾斜之C面，可提升形成於其上之氮化鎵系化合物半導體之結晶品質或器件特性。由於藍寶石係從紫外光至紅外光，在波長區域呈透明之基板，因此不會吸收發光元件之光，並實現高度之光取出效率，有助於發光效率提升。進一步而言，由於為非常硬之安定材料，因此可耐受氮化 鎵系化合物半導體之結晶成長時之高溫(700℃~1400℃)或氨等腐蝕性氣體。此外，作為將本發明之氮化鎵系半導體元件成長時之基板，可使用碳化矽、矽、玻璃、石英、氧化鋅、二硼化鋯、鎵砷、鎵磷、LiAlO2 、氮化鎵、氮化鋁等其他材料之基板。而且，於結晶成長後剝下該基板亦可。
關於面方位，亦報告有許多C面以外之例，特別關於用以將非極性GaN成長之R面藍寶石．M面藍寶石，近年來研究進展，但C面結晶成長之效果可藉由利用以下所示之低溫緩衝技術，簡單地獲得良質之結晶。從C面傾斜之基板亦有進一步良質之結晶成長之報告，於0.2度以上、1度以下之傾斜基板，可實現InGaN層之結晶之高品質化及發光效率之提升。同樣地，其他材料亦嘗試各種面方位之基板，不僅可使用六方晶(包含剛玉構造．纖鋅礦構造)之C面，亦可使用A面/R面/M面、立方晶(包含鑽石構造、閃鉛礦構造)之(111)面或(001)面、或特意地傾斜(例如0度以上、10度以下)各個之基板。
低溫緩衝層(LT－GaN層)11：
該低溫緩衝層11之效果亦有以非晶矽狀之結晶來緩和起因於晶格不整合之扭曲之說法，但作為近年來之研究成果，重視於藍寶石基板上，GaN形成用以進行C＋ 面成長(Ga面成長)之結晶核之作用。於藍寶石C面基板上，以高溫(~1000℃)直接成長GaN之情況據知有C－ 面成長(N面成長)。此外，作為於基板與成長於其上之結晶間成長之 層，不限定於該低溫緩衝層，包含氮化鋁或來自其混晶者、來自金屬膜者、部分包含由成長妨礙物質所組成之選擇成長膜者等，進一步亦可使用以低溫(~500℃)高溫(>1000℃)於基板成長者。
無摻雜GaN層12：
若一面流入氨原料氣體或氫．氮等載體氣體，一面將作為低溫緩衝層11形成之膜升溫至GaN之一般成長溫度之1000℃前後，則由於蒸發或表面之原子移動而成為孤立之晶粒狀之結晶核。通常係以稱為刻面之結晶面包圍之10 nm~100 nm程度之結晶。一般而言，例如藉由供給Ga原料之三甲基鎵，從該結晶核開始成長，但其間從各個結晶核往橫向(依條件亦往縱向)成長，使稱為轉位之結晶缺陷往橫向傳遞，藉此可減少於後續成長之膜呈垂直地傳遞之轉位數。從島狀之3維成長相互合體，經過擬似2維成長，並往平坦膜之2維成長轉移。本實施型態為無摻雜GaN層12，但於該層摻雜Si等亦可。此外，關於結晶核之形成、3維成長或2維成長該類成長樣式並不限定於本記載例，可依結晶之成長條件或基板、緩衝層之種類採取各種樣式。
第一GaN系化合物半導體層(GaN：Si層)13：
為了成為n型而摻雜Si。該層係為了接續於上述2維成長而形成平坦之膜，期望包含無摻雜層GaN層12在內成長為2 μm以上。第一GaN系化合物半導體層13具有形成與n型電極之接觸，將電流於n型層內更均勻地擴展之形成LED之pn接合之作用。因應各個作用，特意於該層內調變摻雜 濃度、包含AlGaN/InGaN之層或調整厚度亦可。
基底層(In0.03 Ga0.97 N：Si層)14：
基底層14包含In，In組成為0.5%以上，宜低於活性層16之井層16a之In組成，於該In組成之範圍內，獲得藉由In添加所產生之效果，亦即獲得發光之高效率化或動作電壓之低電壓化之效果。若成為活性層之井層之In組成以上，則會吸收活性層之發光，而且於0.5%以下，藉由如上述之In添加所產生之效果會降低。
若基底層之厚度薄於5 nm，則難以看到低電壓化之效果，若大於5 μm，則由於GaN及InGaN之晶格扭曲之累積，結晶品質降低。總言之，若基底層之厚度為5 nm以上、5 μm以下，則不會導致結晶品質降低，可獲得藉由上述In添加所產生之效果。為了實現更低電壓化及高品質之結晶，基底層之厚度宜為20 nm以上，更宜為50 nm以上，作為上限可例示1 μm。
下層間隔物層(無摻雜GaN層)15：
下層間隔物層15形成於活性層16與基底層14間。下層間隔物層15係為了於其上結晶成長之活性層16之進一步之結晶性提升、及動作電壓之低電壓化而設置。下層間隔物層15之厚度(換言之為基底層14與活性層16間之距離)為50 nm以下，從實現低動作電壓之觀點考量期望宜為20 nm以下。
活性層(InGaN/GaN多重量子井層)16、井層In0.23 Ga0.77 N層)16a、障壁層(GaN層)16b：
活性層16係將InGaN作為帶隙能量低之井層16a，將GaN作為帶隙能量寬廣之障壁層16b之多重量子井活性層。從n型半導體層注入電子，從p型層半導體層注入電洞，分配給帶隙能量更低之井層16a，電子與電洞再結合而發光。發光波長係依井層16a之In組成或厚度變化，但於形成於C面上之InGaN/GaN量子井，產生起因於其晶格扭曲及極性之甚大之壓電電場。因此，於厚井層，發光效率極端地降低，因此實現藍紫~黃色發光之情況時之最佳井層16a之厚度為3 nm前後。3 nm前後之井層16a之In組成係藍紫色為7%前後，藍色光為15%前後，綠色光為23%前後。為了調整波長或效率等特性，製成包含氮化鋁之混晶亦可。
上層間隔物層(無摻雜GaN層)17：
上層間隔物層17形成於活性層16與AlGaN：Mg層18間。該上層間隔物層17之厚度可為100 nm以下，宜為20 nm以下之結構。上層間隔物層17係為了防止AlGaN：Mg層18中之摻雜物Mg擴散至活性層16內而設置，可減低Mg對於活性層16之擴散，具有發光效率及可靠性提升之效果。
AlGaN層(Al0.15 Ga0.85 N：Mg層)18：
AlGaN層18係接近活性層(多重量子井層)16之p型層，藉由製成具有高於活性層(多重量子井層)16之障壁層16b之GaN層之帶隙能量之AlGaN，以具有作為阻擋從n型層注入於活性層16之電子中往p型層溢流或穿透者之電子障壁之作用。而且，具有對於活性層16直接供給空孔之空孔供給層之作用，及藉由將高溫更安定之AlGaN接近活性層16配 置，以免於熱或氫氣等之保護層之作用。該層亦可為例如包含氮化銦之混晶，或是不僅由單一組成所組成之層，連續．週期地改變組成之層亦可。例如藉由將Al0.15 Ga0.85 N(層厚1.6 nm)及GaN(層厚2.4 nm)週期性地成長5層之超晶格構造，亦可實現進一步之輸出提升或低電壓化。
第二GaN系化合物半導體層(GaN：Mg層)19：
第二GaN系化合物半導體層19係作為p型傳導層，具有從p側電極至活性層16之空孔輸送之作用、往橫向之空孔擴散之作用，亦藉由於活性層16之上部，以適度厚度之例如p型層之總厚100 nm以上、1 μm以下之厚度形成，具有作為表面保護層之作用。第二GaN系化合物半導體層19之厚度過薄之情況時，表面損傷等之影響會達到活性層16，導致特性降低，成為漏電流之原因。第二GaN系化合物半導體層19之厚度過厚之情況時，一般由於p型GaN中之空孔遷移率及載體濃度低，導致動作電壓增加。藉由將第二GaN系化合物半導體層19之厚度設為100 nm以上、1 μm以下，不增加動作電壓，並可抑制對於活性層16之損傷，實現漏電流少之元件。
此外，亦有第二GaN系化合物半導體層19直接成為與金屬之接觸層之情況。適宜之摻雜濃度為1×1019 /cm3 ~2×1020 /cm3 程度，於該範圍外，難以獲得安定之p型，容易導致動作電壓之增加或發光效率之降低。此外，藉由僅將接觸界面20 nm程度，製成高濃度之例如 2×1020 /cm3 ~4×1020 /cm3 之構造，亦可減低接觸電阻。
接觸層(In0.15 Ga0.85 N：Mg層)20：
藉由利用帶隙能量低於GaN之InGaN來形成接觸層20，產生降低摻雜之Mg之活化能量，容易成為p型之效果，而且利用GaN/InGaN之能帶偏移，於InGaN中形成高濃度空孔氣體，產生更降低與p側電極之接觸電阻之效果，利用InGaN/GaN之壓電電場，產生進一步減低接觸電阻之效果。為了減低接觸電阻，In組成為5%~25%程度，厚度為1 nm~100 nm程度，Mg濃度為0(無摻雜)~4×1020 /cm3 程度。
若厚度薄於1 nm，驅動電壓之低電壓化之效果小，若厚度厚於100 nm，則由於結晶晶格之緩和，結晶性降低。而且，若In組成小於5%，則驅動電壓之低電壓化之效果小，若In組成大於25%，則由於結晶晶格之緩和，結晶性降低。而且，若摻雜濃度高於4×1020 /cm3 以上，則結晶性降低。此外，Mg濃度設為0(無摻雜)亦可之理由在於，若於鄰接於接觸層20之GaN層中摻雜Mg，則空孔從該Mg供給至作為接觸層20之InGaN層，發生高濃度之電洞。而且，接觸層20並非必需。關於該層，不僅由單一組成所組成之層，連續．週期地改變組成之層亦可。
圖3係說明於本發明之實施型態之GaN系半導體發光元件之結構之圖。圖3(A)係從上觀看GaN系發光元件1之模式圖，圖3(B)係沿著圖3(A)之箭頭B－B之模式剖面圖(其中省略斜線)。
如圖3所示，於第二GaN系化合物層29之接觸層20形成 有p側電極21B，去除第一GaN系化合物層23之一部分所露出之第一GaN系化合物半導體層13成為n側電極21A，流有驅動電流。
本實施型態之GaN系發光元件1係活性層之面積(接合區域之面積)設為6×10－4 cm2 。因此，GaN系發光元件1之驅動電流密度係以活性層之面積之6×10－4 cm2 除以驅動電流值之值。
作為本實施型態之GaN系發光元件1，可例示發光二極體(LED)、半導體雷射(LD)，GaN系發光元件1可適用於由GaN系發光元件與色轉換材料所組成之發光裝置、直視型或投影型等之圖像顯示裝置、及面狀光源裝置(背光)。而且，為了照明、採光、顯示等可使用於各種裝置。
GaN系發光元件1之組裝品具有面朝上構造或覆晶構造均可。
接著，說明關於藉由將GaN系發光元件之剖面製成梯形構造來予以高效率化之結構。
剖面具有梯形構造之GaN系發光元件係對於第一GaN系化合物層23或第二GaN系化合物層29之主面，具有傾斜角度θ1 之端面，於該端面之外部，亦可製成與該端面相對向且對於上述主面具有傾斜小於角度θ1 之角度θ2 之部分之反射體之結構。亦即，GaN系發光元件之二極體構造係藉由第一GaN系化合物層23、第二GaN系化合物層29、及活性層16之半導體層形成，作為該半導體層之主面，選擇第一GaN系化合物層23或第二GaN系化合物層29之主面，該半 導體層之端面係對於半導體層之主面傾斜角度θ1 。
該半導體層之俯視形狀為例如圓形、正方形、長方形，但因應需要，亦可為其他形狀，例如橢圓形等將圓之全部或一部分規則或不規則地變形之形狀，進一步亦可為n角形(n為3以上之整數)或將該n角形之全部或一部分規則或不規則地變形之形狀亦可。
該半導體層之剖面形狀為例如梯形或倒梯形，將其變形之形狀亦可。而且，該半導體層之端面之傾斜角度θ1 典型上為一定，但未必須為一定，於端面內變化亦可。
從光取出效率提升之觀點考量，適宜於半導體層之端面與反射體間，形成具有比該半導體層之折射率小之折射率(大於空氣之折射率)之透明樹脂。作為該透明樹脂可使用各種，因應需要來選擇其材質。同樣地，適宜將半導體層之厚度設為0.3 μm以上、10 μm以下，且將該半導體層之厚度相對於半導體層之最大徑之比設為0.001以上、2以下。
半導體層之最大徑可因應必要來決定，但一般為50 μm以下，典型為30 μm以下，更典型為25 μm以下。而且，半導體層在光取出面及與該光取出面相反側之面，分別具有第一電極及第二電極之情況時，適宜使反射體與該第二電極歐姆接觸，兼作該第二電極之一部分或該第二電極之布線之一部分來使用。
而且，反射體適宜至少包含於30度≦θ1 ≦90度時，將端面往垂直於其之方向，於90度<θ1 ≦150度時，將端面往使 垂直於其之方向在半導體層之光取出面折回之方向，投影於形成有該反射體之面之區域而形成。
而且，適宜將反射體延伸於與半導體層之光取出面相反側之面上形成。而且，若上述透明樹脂之折射率設為n2 ，該透明樹脂之外部媒介(例如空氣)之折射率設為n3 時，適宜於30度≦θ1 ≦150度且30度≦θ1 ≦90度時，設為θ2 ≧(θ1 －sin－1 (n3 /n2 ))/2且θ2 ≦θ1 /2，且於90度<θ1 ≦150度時，設為θ2 ≧((θ1 －90)－sin－1 (n3 /n2 ))/2且θ2 ≦(θ1 －90)/2。
反射體係除了與半導體層之端面相對向之反射面為平面之情況以外，亦有該反射面具有曲面部分之情況。而且，半導體層係適宜於光取出面及與該光取出面相反側之面，分別具有第一電極及第二電極，該第一電極避開上述端面投影在與半導體層之光取出面垂直方向之區域而形成。
若根據剖面具有梯形構造之GaN系發光元件，可謀求光取出效率之大幅提升，可謀求發光效率之大幅提升，而且可獲得容易微細化之發光二極體。然後，使用該發光效率高而且微細之發光二極體，可實現高性能之發光二極體背光、發光二極體照明裝置、發光二極體顯示器、各種電子機器等。
圖4係說明於本發明之實施型態之GaN系半導體發光元件(θ1 <90°)之結構之剖面圖。
如圖4所示，GaN系發光元件(θ1 <90°)係藉由第一GaN系化合物層23、其上之活性層16及其上之第二GaN系化合物層29形成。第一GaN系化合物層23、活性層16及第二GaN 系化合物層29係作為全體具有例如圓形之俯視形狀，其端面(側面)25係對於第一GaN系化合物層23之下面傾斜角度θ1 。該等第一GaN系化合物層23、活性層16及第二GaN系化合物層29之直徑方向之剖面形狀為梯形(θ1 <90度)，於第二GaN系化合物層29上形成例如圓形之p側電極21B。以覆蓋端面25及p側電極21B之周圍部分之第二GaN系化合物層29之上面之方式，形成透明樹脂26。然後，以覆蓋該透明樹脂26及p側電極21B之全體之方式形成反射膜24。於第一GaN系化合物層23之下面，形成例如圓形之n側電極21A。
該GaN系發光元件(θ1 <90°)為了謀求光取出效率最大化，構造如下被予以最佳化。
(1)透明樹脂26之斜面27係對於第一GaN系化合物層23之下面傾斜角度θ2 ，因此反射膜24亦對於第一GaN系化合物層23之下面傾斜角度θ2 。於此，θ2 <θ1 。藉此，從活性層16發生並從端面25射出之光係藉由該反射膜24反射並朝向下方，可容易取出至外部。
(2)第一GaN系化合物層23、活性層16及第二GaN系化合物層29全體之平均折射率設為n1 時，透明樹脂26之折射率n2 成為空氣之折射率<n2 <n1 。藉此，從活性層16發生並射入於端面25之光係相較於端面25之外部媒介為空氣之情況，容易從該端面25射出至外部，最後容易取出至外部。
(3)GaN系發光元件(θ1 <90°)之最大徑，亦即第一GaN系化合物層23之下面之直徑設為a，全體厚度(高度)設為b時，高寬比b/a為0.01~2，b為0.3~10 μm之範圍內。
(4)反射膜24之材料係使用對於發光波長之光之反射率極高者，使用例如Ag或以Ag為主成分之金屬等。藉此，可藉由該反射膜24，效率良好地反射從端面25或第二GaN系化合物層29之上面射出至外部之光，最後容易取出至外部。而且，該反射膜24係與p側電極21B歐姆接觸，兼作p側電極21B之一部分或連接於p側電極21B之布線之一部分使用。藉此，可謀求減低p側電極21B之電阻，可謀求減低動作電壓。
(5)反射膜24係如圖4所示，至少包含於30度≦θ1 ≦90度時，將端面25往垂直於其之方向，於90度<θ1 ≦150度時，將端面25往使垂直於其之方向在光取出面即第一GaN系化合物層23之下面折回之方向，投影於透明樹脂26之斜面27上之區域而形成。藉此，從活性層16發生並從端面25射出之光之大部分係藉由該反射膜24反射並朝向下方，容易取出至外部。
(6)反射膜24不僅形成於端面25上之透明樹脂26上，亦形成於第二GaN系化合物層29之上面之透明樹脂26上及p側電極21B上。藉此，不僅是從活性層16發生並從端面25射出之光，從第二GaN系化合物層29之上面射出之光亦藉由該反射膜24反射並朝向下方，容易取出至外部。
(7)θ1 、θ2 係選擇符合於30度≦θ1 ≦150度且30度≦θ1 ≦90度時，θ2 ≧(θ1 －sin－1 (n3 /n2 ))/2且θ2 ≦θ1 /2，且於90度<θ1 ≦150度時，θ2 ≧((θ1 －90)－sin－1 (n3 /n2 ))/2且θ2 ≦(θ1 －90)/2。於此，n3 為鄰接於透明樹脂26之下面之外部媒介之折射 率。θ1 >90度之情況時，於光取出面全反射之光射入於反射膜24。如圖4所示，上述θ2 ≧(θ1 －sin－1 (n3 /n2 ))/2或θ2 ≧((θ1 －90)－sin－1 (n3 /n2 ))/2係從端面25往垂直於其之方向射出之光，不會於透明樹脂26與外部媒介之界面全反射之條件。而且，θ2 ≦θ1 /2或θ2 ≦(θ1 －90)/2係光不會從透明樹脂26側射入至端面25之條件。
(8)n側電極21A係形成於將第二GaN系化合物層29之上面往垂直於其之方向，投影於第一GaN系化合物層23之下面之區域內。藉此，可獲得如下優點。亦即，於該GaN系化合物層(θ1 <90°)，從活性層16發生並藉由端面25反射而朝向下方並取出至外部之光之大部分，係集中於將端面25投影於第一GaN系化合物層23之下面之區域內。若於該區域形成n側電極21A，則取出至外部之光係由該n側電極21A遮蔽，產生光量損失，因此n側電極21A宜避開該區域，換言之，宜形成於將第二GaN系化合物層29之上面往垂直於其之方向，投影於第一GaN系化合物層23之下面之區域內，若為該區域內，則形成於其一部分或全部均可。
如下舉出該GaN系發光元件(θ1 <90°)之各部尺寸、材料等之具體例。第一GaN系化合物層23之厚度為例如2600 nm，活性層16之厚度為例如200 nm，第二GaN系化合物層29之厚度為例如200 nm。
活性層16具有例如由InGaN井層及GaN障壁層所組成之多重量子井(MQW)構造，InGaN井層之In組成係該GaN系發光元件(θ1 <90°)為藍色發光之情況時為例如0.17，綠色 發光之情況時為例如0.25。
GaN系發光元件(θ1 <90°)之最大徑a為例如20 μm。如上述，第一GaN系化合物層23之厚度為2600 nm，活性層16及第二GaN系化合物層29之厚度分別為200 nm之情況時，該GaN系發光元件(θ1 <90°)之全體厚度為(2600＋200＋200)＝3000 nm＝3 μm。該情況下，GaN系發光元件(θ1 <90°)之構造之高寬比為b/a＝3/20＝0.15。
θ1 為例如50度。透明樹脂26之折射率n2 為例如1.6，例如藉由旋轉塗布法塗布該透明樹脂26，該塗布時之厚度在平坦部相當為1 μm，其厚度由於硬化收縮而減少至70%之情況時，θ2 為例如20度。
p側電極21B係由例如Ag/Pt/Au構造之金屬多層膜組成，Ag膜之厚度為例如50 nm，Pt膜之厚度為例如50 nm，Au膜之厚度為例如2000 nm。p側電極21B亦可由Ag之單層膜組成。
反射膜24係由例如Ag/Au構造之金屬多層膜組成，Ag膜及Au膜之厚度分別為例如50 nm。反射膜24係由Ag之單層膜組成。
n側電極21A係由例如Ti/Pt/Au構造之金屬疊層膜組成，Ti膜及Pt膜之厚度分別為例如50 nm，Au膜之厚度為例如2000 nm。
於該GaN系發光元件(θ1 <90°)，動作時從活性層16發生之光係於端面25反射，從第一GaN系化合物層23之下面取出至外部，或者從端面25及第二GaN系化合物層29之上面 射出，並藉由反射膜24反射，從透明樹脂26之下面取出至外部，或者直接朝向第一GaN系化合物層23之下面原樣地取出至外部。該情況下，如上述，從光取出效率最大化之觀點考量，將各部予以最佳化，因此從該GaN系發光元件(θ1 <90°)取出至外部之光量極大。
圖5係說明與本發明之實施型態之GaN系半導體發光元件(θ1 <90°)之結構之剖面圖。
如圖5所示，於GaN系半導體發光元件(θ1 <90°)1，第一GaN系化合物層23、活性層16及第二GaN系化合物層29之直徑方向之剖面形狀為倒梯形(θ1 >90°)。
如圖5所示之GaN系發光元件(θ1 >90°)係相較於圖4所示之GaN系發光元件(θ1 <90°)，可增大第二GaN系化合物層29之直徑，因此可增大p側電極21B之直徑。因此，可謀求減低電流密度，防止亮度飽和，並且可謀求減低p側電極21B之接觸電阻，謀求減低動作電壓。
如以上，藉由GaN系發光元件之構造最佳化，可將光取出效率予以最大化，可謀求發光效率之大幅提升。若藉由上述之GaN系發光元件，例如可從第一GaN系化合物層23之下面，取出從活性層16發生之光中之約61.7%。而且，上述GaN系發光元件具有適於微細化之構造，可容易獲得例如尺寸數十μm以下之超小型者。
上述GaN系發光元件可獲得藍色發光、綠色發光或紅色發光者，可容易實現發光二極體顯示器、發光二極體背光、發光二極體照明裝置等。而且，上述GaN系發光元件 亦可使用於例如行動電話等各種電子機器之顯示或照明。作為藍色發光或綠色發光之發光二極體使用上述GaN系發光元件，作為紅色發光之發光二極體使用紅色發光之AlGaInP系半導體發光元件亦可。
此外，上述GaN系半導體元件亦可作為受光元件動作，該情況下，若根據圖4、圖5所示之結構，可實現對於受光元件之高度光取入效率(光受光效率)。
根據本實施型態之GaN系半導體元件可搭載於排列為2維矩陣狀之光學裝置。
於該光學裝置，排列於第一方向之各列之複數GaN系半導體元件之第一電極連接於第一方向之各列之共同布線，排列於第二方向之各行之複數GaN系半導體元件之第二電極連接於第二方向之各行之共同布線。
藉由該類光學裝置，形成有像素部之圖像顯示裝置係GaN系半導體元件被予以被動矩陣驅動。圖像顯示裝置宜為具有10萬個以上之前述GaN系半導體元件之結構，宜為具有100萬個以上之前述GaN系半導體元件之結構。
而且，藉由該類光學裝置構成光學部之2維受光裝置係GaN系半導體元件被予以被動矩陣驅動。
複數發光元件排列為矩陣狀所構成之圖像顯示裝置例如於VGA(Video Graphics Array：視訊圖形陣列)，要求640×480之點(dot)，因此發光波長設為R(紅色光)、G(綠色光)、B(藍色光)之3色之情況時，排列有約92萬個發光元件。
作為對於該類圖像顯示裝置之圖像信號之供給方法之一，有藉由單純矩陣方式(亦稱為被動矩陣方式)之驅動方式。該驅動方式係形成有沿著X軸方向配置之X布線及沿著Y軸方向配置之Y布線，藉由從X軸方向及Y軸方向施加電壓，於X布線及Y布線交叉之處所，驅動連接於X布線及Y布線之發光元件。由於單純矩陣方式之構造簡單，因此具有低成本且良率良好之優點。
於以往屋外型LED顯示器(該類型之顯示器係被區劃化，就每區劃進行驅動，每區劃之像素數較少之結構)或其他一般之LED之用途，比驅動電流低數位數之漏電流幾乎不構成問題，但欲以單純矩陣方式驅動10萬或100萬個以上之元件之情況時，必須留意漏電流並將其抑制。
以單純矩陣方式驅動發光元件之情況時，未被驅動之發光元件係藉由逆偏壓之施加來保持為不發光，因此於施加有逆偏壓之情況時所產生之各發光元件之漏電流會構成問題。
單純矩陣方式為了簡化布線，對於X布線及Y布線排列為矩陣狀之發光元件採共同布線，因此每發光元件之漏電流亦於全體近於以元件數之合計，乘以1個發光元件之漏電流者。
例如即使為每1個發光元件為1μA之情況時，於上述VGA之情況時，合計成為1A程度之非常大之電流。於該狀態下，幾乎完全無法期待發光，供給至圖像顯示裝置之電力之大半係作為漏電流多餘地消耗。因此，漏電流大之發 光元件難以使用於圖像顯示裝置。而且，於使用於具有非常多像素數之圖像顯示裝置之情況時，不僅漏電流造成耗電增大，串音等所造成之畫質降低亦構成問題。
圖6係說明於本發明之實施型態之以單純矩陣方式驅動之半導體發光元件裝置之部分電路結構之圖。
如圖6所示，於以單純矩陣方式驅動用之X方向之X布線(Xn ,Xn＋1 ,~)及Y方向之Y布線(Ym ,Ym＋1 ,~)，連接有複數之各GaN系發光元件(Dn,m ,Dn,m＋1 ,~,Dn＋1,m ,Dn＋1,m＋1 ,~)。於X布線(Xn ,Xn＋1 ,~)，連接有複數之各GaN系發光元件(Dn,m ,Dn,m＋1 ,~,Dn＋1,m ,Dn＋1,m＋1 ,~)之p側電極21B，於Y布線(Ym ,Ym＋1 ,~)，連接有複數之各GaN系發光元件(Dn,m ,Dn,m＋1 ,~,Dn＋1,m ,Dn＋1,m＋1 ,~)之n側電極21A。
圖7係說明於本發明之實施型態之以單純矩陣方式驅動之半導體發光元件裝置之部分電路結構之圖。
藉由圖7，更詳細說明以單純矩陣方式驅動之半導體發光元件裝置之部分電路結構。
複數之各GaN系發光元件連接於X方向之X布線(Xn ,Xn＋1 ,Xn＋2 ,Xn＋3 ,Xn＋4 ,~)及Y方向之Y布線(Ym ,Ym＋1 ,Ym＋2 ,Ym＋3 ,Ym＋4 ,Ym＋5 ,Ym＋6 ,~)。
例如於X布線(Xn )，連接有複數之各GaN系發光元件(Dn,m ,Dn,m＋1 ,Dn,m＋2 ,Dn,m＋3 ,Dn,m＋4 ,Dn,m＋5 ,Dn,m＋6 ,~)之p側電極21B，於X布線(Xn＋1 )，連接有複數之各GaN系發光元件(Dn＋1,m ,Dn＋1,m＋1 ,Dn＋1,m＋2 ,Dn＋1,m＋3 ,Dn＋1,m＋4 ,Dn＋1,m＋5 ,Dn＋1,m＋6 ,~)之p側電極21B。以下，同樣於X布線(Xn＋2 ,Xn＋3 , Xn＋4 ,~)，連接有複數之各GaN系發光元件之p側電極21B
例如於Y布線(Ym )，連接有複數之各GaN系發光元件(Dn,m ,Dn＋1,m ,Dn＋2,m ,Dn＋3,m ,Dn＋4,m ,~)之n側電極21A，於Y布線(Ym＋1 )，連接有複數之各GaN系發光元件(Dn,m＋1 ,Dn＋1,m＋1 ,Dn＋2,m＋1 ,Dn＋3,m＋1 ,Dn＋4,m＋1 ,~)之n側電極21A。以下，同樣於Y布線(Ym＋2 ,Ym＋3 ,Ym＋4 ,Ym＋5 ,Ym＋6 ,~)，連接有複數之各GaN系發光元件之n側電極21A。
於本實施型態，GaN系發光元件配置為在Y方向進行共同之發色，於圖6、圖7，於X方向往右方重複配置射出R(紅色光)、G(綠色光)、B(藍色光)之GaN系發光元件。例如於Y布線(Ym ,Ym＋3 ,Ym＋6 ,~)配置有射出R(紅色光)之GaN系發光元件，於Y布線(Ym＋1 ,Ym＋4 ,Ym＋7 ,~)配置有射出G(綠色光)之GaN系發光元件，於Y布線(Ym＋2 ,Ym＋5 ,Ym＋8 ,~)配置有射出B(藍色光)之GaN系發光元件。圖6、圖7所示之半導體發光元件裝置(光學裝置)係作為圖像顯示裝置使用。
此外，亦能以GaN系發光元件來形成射出R(紅色光)、G(綠色光)、B(藍色光)之發光元件全部，但以GaN系發光元件構成射出G(綠色光)、B(藍色光)之發光元件，以AlGaInP系半導體發光元件構成射出R(紅色光)之發光元件亦可。
亦即，於進行單純矩陣方式之布線之情況時，本實施型態不須全部之發光元件均為GaN系發光元件，排列為矩陣狀之複數發光元件之一部分以GaN系發光元件構成即可。
光學裝置為圖像顯示裝置之情況時，於圖6、圖7所示之 單純矩陣方式驅動圖像顯示裝置之情況時，對於連接根據所要之圖像信號所選擇之X布線及所選擇之Y布線間之GaN系發光元件，施加順向偏壓，於其他GaN系發光元件施加逆向之偏壓。
於本實施型態，由於圖2所示之GaN系半導體發光元件之基底層14之Si摻雜濃度設為3×1018 /cm3 以上，因此可使漏電流密度成為2×10－5 A/cm2 以下，由於宜將Si摻雜濃度設為4×1018 /cm3 以上，因此可使漏電流密度成為8×10－6 A/cm2 以下，更宜將Si摻雜濃度設為8×1018 /cm3 以上，因此可使漏電流密度成為1×10－6 A/cm2 以下，進一步更宜將Si摻雜濃度設為1×1019 /cm3 以上，因此可使漏電流密度成為6×10－7 A/cm2 以下。
如此，逆偏壓電壓施加時，亦即驅動時，可減低非選擇之GaN系半導體元件(GaN系半導體發光元件或GaN系半導體受光元件)之漏電流，防止串音所造成之特性降低，並且抑制耗電增加，實現具有安定之良好動作特性之GaN系半導體元件。
於此，為了說明而進一步思慮作為單純之顯示器，將發光元件以160×120(QQVGA元件予以單純矩陣布線之單色之圖像顯示裝置時，由於發光元件本身存在有微小之漏電流，因此於電路上為共同布線之(160－1)＝159個或(120－1)＝119個發光元件，依序發生順偏壓，同時於剩餘之(160×120－(159＋119))＝18921個發光元件，發生逆偏壓之漏洩。
例如若驅動電流密度設為10 A/cm2 ~100 A/cm2 ，則每1元件之逆偏壓施加時之漏電流密度成為(10 A/cm2 ~100 A/cm2 )/18921，約為(0.5~5)mA/cm2 ，若每1發光元件之逆偏壓施加時之漏電流密度大於該約(0.5~5)mA/cm2 ，則流過之電流全部成為漏電流而消耗，難以進行所需之發光。因此，要求將漏電流密度對於驅動電流密度抑制為約20000分之1以下。
進一步作為對比率要求1：500以上之情況時，期待將漏電流密度對於驅動電流密度抑制為1×107 分之1(亦即1 μA/cm2 ~10 μA/cm2 )以下。該情況下，為了使每1發光元件之逆偏壓施加時之漏電流密度成為(1 μA/cm2 ~10 μA/cm2 )以下，從圖1所示之結果來看，使圖2所示之基底層14之Si摻雜濃度成為(8×1018 /cm3 ~3×1018 /cm3 )以上而構成係甚為有效，可有效減低從發光元件散逸之逆偏壓電壓施加時之漏電流。
於以上說明中，於驅動電流密度設為10 A/cm2 ~100 A/cm2 ，作為對比率保持為1：500以上之情況下，舉例說明單色顯示之QQVGA圖像顯示裝置。同樣地，於RGB彩色顯示之QQVGA圖像顯示裝置之情況下，必須將漏電流密度設為(0.35 μA/cm2 ~3.5 μA/cm2 )以下。為了符合此，從圖1所示結果來看，使圖2所示之基底層14之Si摻雜濃度成為(1×1019 /cm3 ~4×1018 /cm3 )以上即可。
同樣於RBG彩色顯示之QVGA圖像顯示裝置之情況下，必須將漏電流密度設為(0.1 μA/cm2 ~0.9 μA/cm2 )以下。為 了符合此，從圖1所示之結果來看，使圖2所示之基底層14之Si摻雜濃度成為(1.5×1019 /cm3 ~8×1018 /cm3 )以上即可。
而且，同樣於驅動電流密度設為100 A/cm2 ，作為對比率保持為1：500以上之情況下，RGB彩色顯示之VGA、SVGA、WVGA圖像顯示裝置之情況時，必須分別將漏電流密度設為0.22 μA/cm2 以下、0.14 μA/cm2 以下、0.17 μA/cm2 以下。為了符合此，從圖1所示結果來看，使圖2所示之基底層14之Si摻雜濃度成為1.5×1019 /cm3 以上即可。
如此，可使非常多之GaN系發光元件排列為矩陣狀，使連接於複數GaN系發光元件之一方及另一方電極，於複數GaN系發光元件間進行共同布線，並且根據共同布線之電極所要之圖像信號來供給信號，於各GaN系發光元件，根據圖像信號來使電流注入而發光。由於因應構成圖像顯示裝置之GaN系發光元件之數目，根據圖2所示之結果來決定基底層14之Si摻雜濃度，因此可有效地減少從發光元件散逸之逆偏壓施加時之漏電流。
若根據本實施型態，即使於具有非常多像素數之圖像顯示裝置之情況時，不僅可解決漏電流所造成之耗電增大，亦可解決串音等所造成之畫質降低之問題。因此，特別於獨立驅動各像素之圖像顯示裝置，可提升畫質，亦可實現低耗電化。
於根據本實施型態之圖像顯示裝置雖未特限定，但GaN系發光元件之尺寸可為例如100 μm以下程度之微小發光元件。而且，關於共同連接之發光元件之數目亦未特別限 定，但例如排列有100萬元件以上之元件之圖像顯示裝置亦可。
此外，本實施型態係舉例說明可多色發光之圖像顯示裝置作為光學裝置，但亦可將本發明適用於單色之圖像顯示裝置或可切換其他發光色之照明裝置等。而且，本實施型態之活性層為多重量子井構造，但單一量子井構造之結構亦可。
圖8係說明於本發明之實施型態之GaN系半導體受光元件之動作控制之圖，圖8(A)係表示藉由無偏壓動作之光檢測之圖，圖8(B)係表示於施加有逆偏壓之狀態下之光檢測之圖，圖8(C)係表示以單純矩陣方式進行動作控制之受光裝置之部分電路結構之圖。
藉由GaN系半導體受光元件(以下亦稱為GaN系受光元件)之光檢測係如圖8(A)所示，於未施加偏壓電壓之狀態下，或為了提升高速反應或受光感度，如圖8(B)所示於施加有逆偏壓之狀態下進行。於GaN系受光元件，一般於受光元件之活性層(受光層)未受光照射而成為暗狀態之情況時，流有暗電流(漏電流)而成為背景雜訊。因此，於逆偏壓施加於受光元件之情況時，若存在有暗電流，則S/N不會提升。抑制該暗電流會提升作為受光元件之S/N。
如圖8(C)所示，GaN系受光元件係與圖6、圖7所示之GaN系發光元件相同，複數各GaN系受光元件連接於X方向之X布線(Xn ,Xn＋1 ,Xn＋2 ,~)及Y方向之Y布線(Ym ,Ym＋1 ,Ym＋2 ,~)。圖8雖未圖示GaN系受光元件之具體結構，但各 GaN系受光元件係與圖1~圖6所示之各GaN系發光元件同樣地構成。
例如於X布線(Xn )，連接有複數之各GaN系受光元件(Rn,m ,Rn,m＋1 ,Rn,m＋2 ,~)之p側電極21B，於X布線(Xn＋1 )，連接有複數之各GaN系受光元件(Rn＋1,m ,Rn＋1,m＋1 ,Rn＋1,m＋2 ,~)之p側電極21B。以下，同樣於X布線(Xn＋2 ,Xn＋3 ,Xn＋4 ,~)，連接有複數之各GaN系受光元件之p側電極21B。
例如於Y布線(Ym )，連接有複數之各GaN系受光元件(Rn,m ,Rn＋1,m ,Rn＋2,m ,~)之n側電極21A，於Y布線(Ym＋1 )，連接有複數之各GaN系受光元件(Rn,m＋1 ,Rn＋1,m＋1 ,Rn＋2,m＋1 ,~)之n側電極21A。以下，同樣於Y布線(Ym＋2 ,Ym＋3 ,Ym＋4 ,~)，連接有複數之各GaN系受光元件之n側電極21A。
而且，如圖8(C)所示，於X布線(Xn ,Xn＋1 ,Xn＋2 ,~)設置有X布線開關(SXm ,SXm＋1 ,SXm＋2 ,~)，於Y布線(Ym ,Ym＋1 ,Ym＋2 ,~)設置有Y布線開關(SYm ,SYm＋1 ,SYm＋2 ,~)。亦即，分別於X布線Xn 設置開關SXm ，於X布線Xn＋1 設置開關SXm＋1 ，於X布線Xn＋2 設置開關SXm＋2 ，~，分別於Y布線Ym 設置開關SYm ，於Y布線Ym＋1 設置開關SYm＋1 ，於Y布線Ym＋2 設置開關SYm＋2 ，~。
藉由2維地排列為矩陣狀之GaN系受光元件之光檢測係藉由圖8(C)所示之X布線開關(SXm ,SXm＋1 ,SXm＋2 ,~)及Y布線開關(SYm ,SYm＋1 ,SYm＋2 ,~)之開關控制，以單純矩陣方式進行動作控制。於圖8(C)所示之狀態下，X布線開關(SXm ,SXm＋1 ,SXm＋2 ,~)中之開關SXm＋2 開啟，其他開關關 閉，Y布線開關(SYm ,SYm＋1 ,SYm＋2 ,~)中之開關SYm＋2 開啟，其他開關關閉，因此選擇GaN系受光元件Rn＋2,m＋2 作為進行光檢測之受光元件，藉由電流計計測來自受光之光電流。
此外，複數GaN系受光元件係以單純矩陣方式控制動作，於X布線與Y布線交叉之處所，藉由連接於X布線及Y布線之受光元件，依序進行不同處所之光檢測，但所有GaN系受光元件係置於未施加有偏壓電壓之狀態(圖8(A))或施加有逆偏壓之狀態(圖8(B))之任一狀態。
於以上說明中，說明關於複數GaN系半導體元件(GaN系半導體發光元件或GaN系半導體受光元件)排列為2維矩陣狀之情況，但關於複數半導體元件連接為1維且同樣共同布線之情況，亦與上述2維矩陣狀排列之情況相同，例如於驅動之待機時，於逆偏壓方向施加有電壓之情況時，由於漏電流僅增加元件數，因此若漏電流大，則耗電亦增加，依元件之連接對象之電路結構，亦會有對於電路給予損傷之可能性等。通常，亦可製成於電路側追加保護元件(整流元件、二極體等)之結構，但電路變得複雜，導致成本上升。
GaN系半導體元件(GaN系半導體發光元件或GaN系半導體受光元件)雖亦依GaN系半導體元件之製造溫度歷程而不同，但對於700~1400℃為止之高溫具有耐熱性，對於氨等腐蝕性氣體具有耐腐蝕性，因此可作為於要求耐熱性或/及耐腐蝕性之環境下可動作之元件來利用。
實施例
以下，詳細說明關於本發明之GaN系半導體發光元件之基底層14之Si摻雜濃度及漏電流密度之測定及測定結果。
圖9係說明於本發明之實施例之GaN系半導體發光元件之評估概念之剖面圖；圖9(A)係說明GaN系發光元件之發光強度之評估之圖，圖9(B)係說明GaN系發光元件之漏電流之評估之圖。
如圖9(A)、圖9(B)所示，為了評估GaN系發光元件，藉由微影步驟及蝕刻步驟，具有n型導電型之第一GaN系半導體層23之第一GaN系化合物半導體層13(圖2)部分地露出，於第二GaN系半導體層29之接觸層20(圖2)上，形成由Ag/Ni所組成之p側電極21B，第一GaN系半導體層23之第一GaN系化合物半導體層13上，形成由Ti/Al所組成之n側電極21A。
如圖9(A)所示，為了評估GaN系發光元件之發光強度，於GaN系發光元件1之n側電極21A與p側電極21B之間，施加順向偏壓電壓，藉由光學感測器檢測射出之發光強度。
如圖9(B)所示，為了評估GaN系發光元件之漏電流，於GaN系發光元件1之n側電極21A與p側電極21B之間，施加逆向偏壓電壓，藉由微微安培計檢測流於p側電極21B與n側電極21A間之漏電流。
以下，說明關於針對基底層14之一般之Si摻雜濃度之2×1018 /cm3 及比其高濃度之5×1018 /cm3 、1.3×1019 /cm3 之Si摻雜濃度，測定漏電流之結果。
於圖2所示之藍寶石基板10上所成長之緩衝層(LT－GaN層)11，發生約5×108 cm－2 之濃度之貫穿轉位，轉位密度在3種試料為同等。形成圖2所示之各層後，於氮氣氛中，藉由退火進行p型層之活化，藉由乾蝕刻使第一GaN系化合物半導體層(n型層)13露出。於表面之接觸層(p型層)20與露出之n型層13，分別形成由NiAg及TiAl所組成之n側電極21A、p側電極21B，藉由探針測定來評估施加有逆偏壓時之漏電流(圖9(B))。該類元件之製作方法係如為數眾多之文獻所述，可能有蝕刻方法．蝕刻形狀與深度．電極材料與形狀．元件尺寸與形狀等各式各樣。而且，作為評估方法，亦可如市售LED，從晶圓予以元件分離，裝載於封裝體，以環氧樹脂或矽樹脂密封後予以測定，但如本測定，於晶圓上進行針探來測定亦可。
圖10係說明於本發明之實施例之基底層之Si摻雜濃度為2×1018 /cm3 之情況下之GaN系發光元件之I－V特性之圖。
圖11係說明於本發明之實施例之基底層之Si摻雜濃度為5×1018 /cm3 之情況下之GaN系發光元件之I－V特性之圖。
圖12係說明於本發明之實施例之基底層之Si摻雜濃度為1.3×1019 /cm3 之情況下之I－V曲線之I－V特性之圖。
圖10、圖11及圖12係表示於室溫(300K)下之摻雜有Si之GaN系發光元件之I－V曲線，縱軸表示漏電流值(A、電流)，橫軸表示偏壓電壓(V、電壓)。此外，圖10、圖11及圖12之測定所使用之GaN系發光元件之結構係具有與圖2所示者相同之層結構，發光元件之各層之厚度係如針對圖 2所進行之上述說明。
圖10係重疊表示Si摻雜有2×1018 /cm3 之10個GaN系發光元件之I－V曲線，圖11係重疊表示Si摻雜有5×1018 /cm3 之9個GaN系發光元件之I－V曲線，圖12係重疊表示Si摻雜有1.9×1019 /cm3 之6個GaN系發光元件之I－V曲線。
此外，圖10、圖11及圖12中所示之檢測限度位準係測定非常微弱之電流，因此依存於電磁波或熱雜訊、振動或光等各種環境要因，但不依存於測定試料。
使用於I－V曲線之測定之GaN系發光元件之活性層之面積為20 μmφ，其面積約為3×10－6 /cm2 。從圖10、圖11及圖12分別所示之I－V曲線，讀取施加有－5 V之情況時之平均漏電流，並除以上述活性層之面積，則對應於Si摻雜量2×1018 /cm3 、5×1018 /cm3 、1.3×1019 /cm3 之各個之漏電流密度約1.2×10－4 A/cm2 、約3.2×10－6 A/cm2 、約3.2×10－7 A/cm2 ，成為先前所述之圖1所示之結果。
從圖10、圖11及圖12所示之I－V曲線，可知可因應基底層14之Si摻雜濃度來抑制漏電流。對於一般之Si摻雜濃度之2×1018 /cm－3 ，2.5倍之Si摻雜濃度5×1018 /cm－3 係關於漏電流可見1位數以上之顯著效果。而且，更高之Si摻雜濃度1.3×1019 /cm－3 以上係減低至本測定之檢測限度。於本測定中，漏電流值與元件之活性層面積大致可見比例關係，如上述，由於元件化時有各式各樣之形狀等，因此為了一般化，若將活性層面積除以漏電流之漏電流密度對於摻雜濃度標繪，則成為如圖1。
若與於非專利文獻3，於圖2(a)記載詳細調查以往之InGaN系LED之漏電流之結果之溫度300K之施加－5 V時之漏電流密度約2×10－3 A/cm2 比較，則先前所述之圖1所示之結果為相差懸殊之低漏電流密度。於非專利文獻3，具有4×109 /cm2 之非常多之貫穿轉位，其10%以下形成V－defects，並論及對於該漏電流之影響。先前所述之圖1所示之結果係較5×108 /cm2 低1位數，因此據判其比率直接反映。
從為數眾多之報告例可見轉位密度與漏電流相關，從使漏電流密度成為更小值之觀點考量，轉位密度5×108 /cm2 且Si摻雜濃度設為2×1018 /cm3 以上係甚為有效。其中，轉位密度即使如非專利文獻3所記載之甚高之值，且即使為轉位密度高之結晶，由於摻雜之主效果之載體濃度或遷移率係無特異之反曲點而變化，因此若根據本發明，據判藉由基底層14之Si摻雜濃度會有效地降低漏電流。
如一般之半導體物理之教科書所述，pn接合附近之高濃度摻雜會擴大pn接合之接合電場。作為器件劣化之主要因可舉出電場擴散(electromigration)，預測大接合電場會引起電場擴散，成為漏電流之原因。然而，本發明係藉由實際測定來確認有違該預測之結果，而且，n型雜質本身擴散之情況亦可考慮PN接合之界面附近之高濃度摻雜成為漏洩源之可能性，實際上作為測定結果係獲得大幅減低之漏電流。
作為漏電流應用上之問題有各種問題，例如先前所述， 對於LED之驅動電流(於市售LED，典型上為30 A/cm2 ，通常為10 A/cm2 ~100 A/cm2 程度)，必須抑制為2萬分之1以下(若以漏電流密度來表示為(0.5~5)mA/cm2 以下)，進一步若對比率為1：500以上，宜抑制為1千萬(107 )分之1以下(若以漏電流密度來表示為(1~10)μA/cm2 以下)。從圖1所示之結果可知，作為期望之摻雜濃度為3×1018 /cm－3 以上，更期望為8×1018 /cm－3 。一般而言，對於GaN或InGaN之Si摻雜濃度至2×1019 /cm－3 以上較為容易，但若超過3×1019 /cm－3 ，則結晶性顯著降低而變得困難。
作為摻雜濃度所造成之漏電流之減低要因，亦有藉由高濃度地包含Si，GaN或InGaN之結晶性變化之現象，但作為其他可能性，亦有由於高濃度摻雜，活性層附近之空乏層變窄，其中所含之深缺陷順位之數目減少之現象。
圖2所示之AlGaN：Mg層18亦可為具有超晶格構造之結構。而且，於轉位多之藍寶石基板上之成長，其漏電流減低效果特別大，但於低轉位之GaN基板上，亦可期待同樣之效果。而且，於逆偏壓施加時所產生之漏寫電流之減低係於並聯(一部分夾有串聯亦可)地連接有許多發光元件之情況下有效，於顯示器應用中，最低對於10萬像素採用，於全規高畫質(像素數1920×1080)對於100萬像素以上之採用最有效。
如非專利文獻3所記載，漏電流係與活性層面積(junction Area：接合區)成比例，若發光元件面積相同，儘可能較大地取定活性層面積之發光元件為高效率，但由 於活性層面積與漏電流成比例，因此於漏電流方面不利。然而，如本發明藉由控制基底層之Si摻雜濃度，寬廣地取定活性層面積，可使高發光效率與低漏電流同時成立，特別在實用上之效果甚大。
而且，將LED予以器件化時，有於一側之上或下之單面形成pn電極之方法、剝離藍寶石基板等或使用導電性基板而於上下之面形成電極之方法。於單面形成pn兩電極之情況時，可能有例如使用半透明p型電極之型態或使用反射電極之覆晶型等。任一情況均藉由寬廣地取定活性層面積，驅動電流密度會降低，可期待高發光效率，但隨著活性層面積增加，漏電流變大，可能構成問題。
而且，於使用導電性基板或剝離藍寶石等之基板，於上下面形成電極之方法，不須藉由蝕刻削去活性層來製作一方電極，可使晶片之大致整面成為活性層(junction Area：接合區)。由於此係即使為相同之晶片外尺寸，仍可寬廣地取定活性層面積，因此除了步驟簡略化以外，對於高效率化亦有效，但仍有同樣之漏電流之疑慮。然而，如本發明藉由控制基底層之Si摻雜濃度，可寬廣地取定活性層面積，可使高發光效率與低漏電流同時成立，特別在實用上之效果甚大。不於相同面形成p側及n側電極，藉由於上下面分別形成電極，即使為微細之LED，由於p側及n側電極彼此接觸之可能性少，因此容易將pn間絕緣，因此特別可高密度地實裝100 μm見方或φ之微小LED。
如以上所說明，若根據本發明，於GaN系化合物半導體 之pn構造所組成之發光元件(發光二極體或雷射二極體)，可抑制逆偏壓施加時所發生之漏電流，解決由於非特意流入之電流所造成之耗電增大或電路故障、連接並控制許多個發光元件時所產生之串音之問題。以往據知若使用低轉位密度之基板(例如使用於藍寶石基板上利用選擇成長，使其橫向成長之基板或體塊GaN基板)，可減低漏電流，但不須使用該類特殊基板，能以低成本實現。
一般而言，pn接合元件不僅作為發光元件，亦可作為受光元件來利用，以活性層(量子井、單異質、雙異質等)吸收光，藉由光電效果而成為電流。該類受光元件之情況時，漏電流成為暗電流該類背景雜訊，因此使S/N降低，即使為了提高受光感度而施以電場，若暗電流一同增加，則S/N不會提升。若根據本發明之GaN系半導體受光元件，由於可降低暗電流，因此可使S/N提升。
以上，針對實施型態來說明本發明，但本發明不限定於上述實施型態，可根據本發明之技術思想予以各種變形。
例如摻雜於基底層之Si濃度可酌情任意變更，以成為因應GaN系半導體元件使用之目的用途之漏電流密度。而且，包含關於GaN系半導體元件之各層結構、各層厚度、大小等在內，GaN系半導體元件之形狀、大小等亦可因應使用用途予以酌情任意變更。
[產業上之可利用性]
如以上所說明，若根據本發明，藉由可抑制逆偏壓施加時所發生之漏電流之GaN系半導體元件，可提供一種可保 持安定之良好動作之光學裝置及使用其之圖像顯示裝置。
1‧‧‧GaN系半導體發光元件
10‧‧‧基板
11‧‧‧緩衝層
12‧‧‧無摻雜GaN層
13‧‧‧第一GaN系化合物半導體層
14‧‧‧基底層
15‧‧‧下層間隔物層
16‧‧‧活性層
16a‧‧‧井層
16b‧‧‧障壁層
17‧‧‧上層間隔物層
18‧‧‧AlGaN層
19‧‧‧第二GaN系化合物半導體層
20‧‧‧接觸層
21A‧‧‧n側電極
21B‧‧‧p側電極
23‧‧‧第一GaN系化合物層
24‧‧‧反射膜
25‧‧‧端面
26‧‧‧透明樹脂
27‧‧‧斜面
29‧‧‧第二GaN系化合物層
Xn ,Xn＋1 ,Xn＋2 ,Xn＋3 ,Xn＋4 ,~‧‧‧X布線
Ym ,Ym＋1 ,Ym＋2 ,Ym＋3 ,Ym＋4 ,Ym＋5 ,Ym＋6 ,~‧‧‧ Y布線
Dn,m ,Dn,m＋1 ,Dn,m＋2 ,Dn ,m＋3 ,~‧‧‧GaN系半導體發光元件
Rn,m ,Rn,m＋1 ,Rn,m＋2 ,~‧‧‧GaN系半導體受光元件
SXm ,SXm＋1 ,SXm＋2 ,~‧‧‧X布線開關
SYm ,SYm＋1 ,SYm＋2 ,~‧‧‧Y布線開關
圖1係說明於本發明之實施型態之GaN系半導體發光元件之摻雜濃度與電流密度之關係之圖。
圖2係說明同上之GaN系半導體發光元件之層結構之圖。
圖3(A)、(B)係說明同上之GaN系半導體發光元件之結構之圖。圖3(A)係從上觀看GaN系發光元件1之模式圖，圖3(B)係沿著圖3(A)之箭頭B－B之模式剖面圖(其中省略斜線)。
圖4係說明同上之GaN系半導體發光元件(θ1 <90°)之結構之圖。
圖5係說明同上之GaN系半導體發光元件(θ1 >90°)之結構之圖。
圖6係說明同上之以單純矩陣方式驅動之半導體發光元件裝置之部分電路結構之圖。
圖7係說明同上之以單純矩陣方式驅動之半導體發光元件裝置之部分電路結構之圖。
圖8(A)~(C)係說明同上之GaN系半導體受光元件之動作控制之圖。圖8(A)係表示藉由無偏壓動作之光檢測之圖，圖8(B)係表示於施加有逆偏壓之狀態下之光檢測之圖，圖8(C)係表示以單純矩陣方式進行動作控制之受光裝置之部分電路結構之圖。
圖9(A)、(B)係說明於本發明之實施例之GaN系半導體發 光元件之評估概念之圖。圖9(A)係說明GaN系發光元件之發光強度之評估之圖，圖9(B)係說明GaN系發光元件之漏電流之評估之圖。
圖10係說明同上之GaN系半導體發光元件之I－V特性之圖。
圖11係說明同上之GaN系半導體發光元件之I－V特性之圖。
圖12係說明同上之GaN系半導體發光元件之I－V特性之圖。
圖13係說明先前技術之LED元件之圖。
圖14係說明同上之GaN系半導體元件(LED元件)之圖。
(無元件符號說明)

Claims (13)

  1. 一種氮化鎵系半導體元件，其含有：第一GaN系化合物層，其包含第一無摻雜GaN層、形成於前述無摻雜GaN層上之n型導電型第一GaN系化合物半導體層、直接形成於前述n型導電型第一GaN系化合物半導體層上之基底層及直接形成於前述基底層上之第二無摻雜GaN層；活性層，其係形成於前述第二無摻雜GaN層上；及第二GaN系化合物層，其包含形成於前述活性層上之p型導電型層，使得前述活性層係形成於前述第一GaN系化合物層與前述第二GaN系化合物層之間；其中前述基底層包含n型雜質濃度為3×1018 /cm3 以上、3×1019 /cm3 以下；於施加有5V之逆向偏壓時，前述活性層之每單位面積所流之電流之密度即漏電流密度為2×10-5 A/cm2 以下。
  2. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述基底層之n型雜質濃度為4×1018 /cm3 以上，前述漏電流密度為8×10-6 A/cm2 以下。
  3. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述基底層之n型雜質濃度為8×1018 /cm3 以上，前述漏電流密度為1×10-6 A/cm2 以下。
  4. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述基底層之n型雜質濃度為1×1019 /cm3 以上，前述漏電流密度為6×10-7 A/cm2 以下。
  5. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述基底層及前述活性層係由含有In之GaN系化合物層所構成；構成前述基底層之前述GaN系化合物中之In對In及Ga總合之組成比率為0.005以上，低於構成前述活性層之前述GaN系化合物中之In組成比率。
  6. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述基底層之厚度為5nm以上、5μm以下。
  7. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述基底層之厚度為20nm以上、1μm以下。
  8. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述第二GaN系化合物層包含GaN層，該GaN層係摻雜有p型雜質之厚度為100nm以上者。
  9. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述氮化鎵系半導體元件為發光元件。
  10. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中形成前述第一GaN系化合物層及前述第二GaN系化合物層之前述層係對發光波長呈透明。
  11. 如請求項1之氮化鎵系半導體元件，其中前述n型導電型第一GaN系化合物半導體層形成有與n型電極之接觸。
  12. 一種光學裝置，其係複數個如請求項1至11中任一項之氮化鎵系半導體元件排列為2維矩陣狀者；排列於第一方向各列之複數個前述氮化鎵系半導體元件之第一電極連接於前述第一方向各列之共同布線，排列於第二方向各行之複數個前述氮化鎵系半導體元件之第二電極連接 於前述第二方向各行之共同布線。
  13. 一種圖像顯示裝置，其藉由如請求項12之光學裝置構成有像素部，且前述氮化鎵系半導體元件係被動矩陣驅動。
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