專利名稱：氮化鎵基半導體元件、使用其的光學裝置及使用光學裝置的圖像顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氮化鎵基半導體元件、使用該元件的光學裝置以及 使用光學裝置的圖像顯示裝置。
背景技術：
通過使用活性層的混晶組成和/或厚度來控制帶隙能量，包括由 氮化鎵(GaN)化合物半導體構成的活性層的發(fā)光元件(GaN基半 導體發(fā)光元件)可實現(xiàn)從紫外線到紅外線的寬發(fā)光波長范圍。發(fā)射 各種顏色的GaN基半導體發(fā)光元件在商業(yè)上得到應用，并用于諸如 圖像顯示裝置、照明裝置、檢查裝置用光源、消毒裝置用光源以及 醫(yī)療檢查裝置用光源的各種用途。另外，已經(jīng)開發(fā)了發(fā)射紫色的半 導體激光器和發(fā)光二極管(LED)，并且已經(jīng)被用作在大容量光盤 上寫入和讀取^t據(jù)的沖合耳又器。
通常，GaN基半導體發(fā)光元件具有順序層壓在基板上的具有n 型導電性的第一 GaN基化合物半導體層、活性層以及p型導電性的 第二 GaN基化合物半導體層的結構。
下面將描述相關纟支術的GaN基半導體發(fā)光元件。
由S. Keller等人的 "Effect of the growth rate and the barrier doping on the morphology and the properties of InGaN/GaN quantum wells" J. Cryst. Growth. 195， ( 1998 ) ， pp. 258 ~ 264 ( 3.2 Effect of the silicon doping during LT GaN ~ )(下文中稱作"非專利文獻1" ) ^> 開了以下內容。
GaN阻擋層(barrier )的Si摻雜濃度從0 ~ 3 x 1019/cm3進行變 化。除伴隨著阻擋層的Si摻雜濃度增加的超點陣(superlattice)周 期的輕微減小之外，通過高解析度X射線衍射分析，確定一階和二 階超點陣峰的半峰全寬(FWHM)的顯著減小。即，通過從0~3 x 10,cmS增加多量子阱的Si摻雜濃度， 一階超點陣峰的半峰全寬 從312 arcsec減小至212 arcsec, 二階超點陣峰的半峰全寬從589 arcsec減小至234 arcsec。
由 H. Kim等人的 "Elec加migration-induced failure of GaN multi-quantum well light emitting diode" ， Electromics Letters, Vol. 36， No. 10 ( 2000 ) , pp 908 ~ 910 ( summary )(下文牙爾4乍"非專利文獻 2" )， ^Hf了可通過使用電遷移誘發(fā)的失效^^型來外推GaN多量子 阱(MQW) LED的壽命。
在標題為 "III -nitride light-emitting device enhancing light generation ability"的曰本未審查專利申請公開第2001-203386號 (0008段~ 0018段，圖6)(下文稱作"專利文獻l")中，公開了 以下內容。
專利文獻1的發(fā)明涉及整體上具有高光生成能力的反轉型ni-
氮化物發(fā)光裝置(LED)。大面積(>400x400 pm2 )的裝置至少具 有一個n電極，并設置n電極以圍繞p電極的金屬，使得降低了串
連阻抗。p電極的金屬是不透明的，并具有很高的反射率、歐姆特
性及優(yōu)良的電流擴散性。為了在LED芯片和封裝之間獲得電和熱 連接，可使用中間材料，即，下部村板。該裝置可包括具有高折射 率(n>1.8)的上層覆蓋結構，以改善光提取效率。
根據(jù)專利文獻1的發(fā)明，通過在增加光提取量的同時降低pn 結與照明封裝的熱阻，才是供了高輸出LED,其具有諸如大于400x400 ^im2的大面積并具有非常高的光生成能力。根據(jù)專利文獻1的發(fā)明， 為了實現(xiàn)上述LED,使用了包括具有低阻抗和高反射率的不透明p 電極的反轉結構。
在標題為 "Method for manufacturing group III nitride LED having enhanced light-emission ability" 的曰本未審查專矛J申"i青公開 第2001-237458號(0009段和0029段，圖6 )(下文稱作"專利文 獻2")中公開了以下技術。
專利文獻2的發(fā)明涉及具有增強的整體發(fā)光能力的反轉型III族 氮化物發(fā)光裝置(LED)。該大面積(>400x400 pm2 )的裝置至少 具有一個被p電極金屬覆蓋物所圍繞的n電極，以獲得低串連阻抗。 p電極金屬覆蓋物是不透明的，并具有高反射率、歐姆特性以及良 好的電流分散性?？梢浴嚼粲弥虚g材沖?；蛳虏縙)"才反以在LED和封裝 之間準備電和熱連接。該裝置可包括具有高折射率(n>1.8)的上層 基4反，其可以進一步改善光纟是取效率。
根據(jù)專利文獻2的發(fā)明，由于在提高光提取的同時降低了 pn 結與燈封裝的熱阻，所以可以提供具有最大發(fā)光能力和諸如大于 400x400 jum2的大面積的高功率LED。為了實現(xiàn)這種LED ，專利文 獻2的發(fā)明使用了結合具有低阻抗和高反射率的不透明p電極的反 轉結構。
在標題為 "Indium gallium nitride smooth structure for group III nitride device"的曰本未審查專利申"i青/^開第2002-299685號(0004 段、0009段和0010段，圖l和3)(下文稱作"專利文獻3")中， />開了以下纟支術。
根據(jù)專利文獻3的發(fā)明，在m族氮化物發(fā)光裝置的基板和活性
該發(fā)明的一個實施例中，傾斜平滑區(qū)具有傾斜的組成。在另一個實 施例中，傾斜平滑區(qū)具有傾斜的摻雜濃度。在幾個實施例中，通過 具有恒定組成和摻雜濃度的分隔層將傾斜平滑區(qū)與活性區(qū)分隔。根 據(jù)專利文獻3的發(fā)明的傾斜平滑區(qū)可改善傾斜平滑區(qū)上(特別地， 活性區(qū)上)生長的層的表面特性。
在專利文獻3的發(fā)明的第一實施例中，與分隔層相比，以更高 的濃度摻雜平滑層。平滑層摻雜有濃度范圍例如為2xl017 2/cm3xl019/cm3的Si。在第一實施例中，分隔層是摻雜有濃度范圍 侈'W口為0/cm3 ~ 2xl018/cm3的Si的n型層。
第一實施例的分隔層比n型區(qū)12具有更低的摻雜濃度；因此， 分隔層是具有更高阻抗的層，其可以幫助電流在活性區(qū)中均勻擴 展，并防止電流集中在n接觸和p接觸之間的最短路徑中。才艮據(jù)分 隔層的摻雜濃度來選擇其厚度，使得分隔層不會顯著增大裝置的正 向電壓。
才艮椐專利文獻3的發(fā)明，包含銦的平滑結構具有幾個優(yōu)勢。首 先，通過使用平滑結構，即使在不期望的三維島狀生長開始之后， 也能夠恢復平滑半導體表面上的二維階梯流型生長。基板表面較大 的錯誤取向或不充分的表面處理可能導致三維的島狀生長，或者在 被設計用于減小結晶位錯(dislocation )密度的生長初始步驟(例如， 硅注入步驟)中可能導致三維的島狀生長。如上所述，表面條件對
裝置特性具有影響，并且平滑基板可以改善III族氮化物LED的效 率和可靠性。
在標題為 "Method for manufacturing nitride semiconductor element and nitride semiconductor element"的曰本未審查專利中"i青公 開第2002-319702號(0016^殳和0017萃殳)(下文稱作"專利文獻4") 中，/>開了以下^支術。
專利文獻4的發(fā)明的氮化物半導體元件具有第一氮化物半導體 層、層壓在其上的活性層以及層壓在活性層上并具有與第一氮化物 半導體層相反的導電性的第二氮化物半導體層，其中，第二氮化物 半導體層的生長溫度^皮i殳置為900。C以下，且第二氮化物半導體層 具有形成平滑表面的厚度。
當?shù)锇雽w層為氮化鎵層時，盡管在約95(TC的溫度下生 長的氮化鎵層通常易于形成生長坑(pit)， ^旦在900。C以下的溫度生
長時，由于m族元素的表面擴散長度的減小，可以獲得具有少量生
長坑的平坦膜。結果，例如，當形成裝置時，可實現(xiàn)漏電流的減小。
在標題為 "Nitride semiconductor laminate and semiconductor element thereof的曰本未審查專利申i青乂^開第2003-59938號(0062 段 0067l殳，圖14)(下文稱作"專利文獻5")中，7>開了以下4支 術。
圖13是示出相關^支術的LED元件的示圖并對應于專利文獻5 的圖14。
描述專利文獻5的實例3，其中，將專利文獻5的發(fā)明應用于 由氮化物半導體構成的發(fā)光二極管(LED)。圖13是示出應用了專 利文獻5的發(fā)明的LED的結構示圖，其中，參考標號241表示SiC基板，242表示A1N緩沖層(100 nm )， 243表示摻雜Si的GaN層 (1 , )， 244表示InGaN緩變層(graded layer ) ( 30 nm ), 245表
示未摻雜的InGaN/GaN超點陣(活性層)，246表示InGaN緩變層 (30 nm )， 247表示捧雜Mg的GaN層(500 nm )， 248表示Al/Au
電才及，以及249表示Pd/Au電才及。
與類似、于實例1的方式，在通過金屬有4幾氣相外延(MOVPE) 法在SiC基板241上形成外延結構之后，通過電子回旋共振(ECR) 蝕刻法執(zhí)行蝕刻，隨后通過電子束沉積形成電極?；钚詫?45是 InGaN/GaN超點陣，該超點陣的阻擋層的In組分為6% ，并且阱層 的In組分為10%。阻擋層和阱層的厚度分別為5 nm和2 nm，阱層 的數(shù)量為5個。從n型雜質層243到活性層245，將插入在n型雜 質層243和5舌'〖生層245之間的InGaN層244的In纟且分乂人0%土曾力口至 6%。通過上述結構，帶隙從基板側向表面?zhèn)戎饾u減小。
另外，乂人活性層245到p型雜質層247，將插入在活性層245 和p型雜質層247之間的InGaN層246的In組分從6%降4氐至0%。 通過上述結構，帶隙從基板側向表面?zhèn)戎饾u增大。兩個InGaN緩變 層244和246的厚度固定為30 nm。另外，對于插入在n型雜質層 243和活性層245之間的InGaN緩變層244，形成沒有摻雜作為n 型雜質的Si雜質的結構和以lxlO，cn^的濃度摻雜Si雜質的結構。
另外，對于插入在活性層245和p型雜質層247之間的InGaN 緩變層246,形成沒有摻雜作為p型雜質的Mg雜質的結構和以 lxl018/cm3的濃度纟參雜Mg雜質的結構。
通過對這兩個結構施加電壓，驅動每個LED發(fā)光。通過^f吏用 專利文獻5的發(fā)明，當在InGaN緩變層244或246中以lxl018/cm3 的濃度摻雜n型或p型雜質時，即使在低電壓下，也可以增加發(fā)光
輸出。此外，當執(zhí)行n型雜質(Si)和p型雜質(Mg)的兩種摻雜 時，可以以3V以下的^氐電壓下批J亍發(fā)光。
在標題為"氮化半導體元件"的日本未審查專利公開申請第 2004-112002號(0011和0012頁，圖1)(下文中， 一皮稱作"專利 文獻6，，)中，已經(jīng)4皮露的下面的沖支術。
圖14是示出相關技術的GaN半導體元件(LED元件)的示圖 并對應于專利文獻6的圖1。
圖14是示意性示出根據(jù)專利文獻6的發(fā)明的一個實施例的氮 化物半導體元件(LED元件)結構的截面圖。該實施例的氮化物半 導體元件包括在藍寶石基板101上纟安順序i殳置的(1 ) AlGaN的緩 沖層102、 ( 2 )未4參雜的GaN層103、 ( 3 )摻雜Si的GaN的n型 接觸層104、 ( 4 )未摻雜的GaN層105、 ( 5 )摻雜Si的GaN層106、 (6)未摻雜的GaN層107、 ( 7 )GaN/InGaN超點陣n型層108、 (8) 具有多量子阱結構的活性層109 (其中，i殳置InGaN層和GaN層分 別作為阱層和阻擋層)、(9 ) p-AlGaN/p-InGaN超點陣p型層110以 及(10 )摻雜Mg的GaN/摻雜Si的GaN的調制摻雜的p側接觸層 111,另外，如下所述地形成p側和n側電才及。
例如，在通過蝕刻去除/人p側^接觸層111到未摻雜的GaN層 105的元件的一角以露出n接觸層104的一部分之后，在n型接觸 層104的露出部分上形成n歐姆電極121。
另外，作為p側電極，在幾乎全部覆蓋p側4妄觸層111而形成 p歐姆電極122之后，在p歐姆電極122的一部分上形成p4于墊電 極123。
具體地，該實施例的氮
壓摻雜Mg的GaN層111a和摻雜Si的GaN層111b獲得的調制摻 雜層來形成p側，接觸層111;因此，減小了漏電流，并改善了靜電 耐壓。
在該實施例中，優(yōu)選將p側4妻觸層lll(摻雜Si的GaN層111b )
的Si 4參雜濃度"i殳置在lxl017/cm3 ~ lxl021/cm3的范圍內，更優(yōu)選地 在Ixl018/cm3~5xl019/cm3的范圍內。這樣^f故的原因在于當濃度為 lxl017/cm3以上時，可以獲得降j氐漏電流的顯著效果，并且當濃度 大于lX1021/cmht,結晶性劣化，并且發(fā)光效率易于劣化。
通過X. A. Cao等人的 "Microstructure origin of leakage current InGaN/InGaN light-emitting diodes" ， J. Cryst. Growth. 264， ( 2004 )， pp. 172 ~ 177 ( 3.Results and discussion,圖2(a)和2(b))(下文 稱作"非專利文獻3")，公開了當溫度升高時LED的典型反向I-V 特性(圖2 (a))和漏電流與活性層面積(結面積)的比例關系(圖 2(b))。另夕卜，根據(jù)非專利文獻3，確認表面狀況與電流圖像的關 系對應于與混合位錯或螺^走位4昔相關的V缺陷與4氐偏壓施加的高 度局部4匕的結漏電流的關系。
通過T. Akasaka等人的 "High luminescent efficiency of InGaN multiple quantum wells grown on InGaN underlying layers" App. Phys. Lett Vol. 85， No. 15 ( 2004 ) ， pp 3089 ~ 3091 ( 3089頁左才蘭29 ~ 36 行及3089頁右欄19行至3090頁左欄1行)(下文稱作"非專利文 獻4" )， /〉開了以下4支術。
通過具有約50 nm厚度的InGaN底層，顯著減少了 InGaN多 量子阱的非輻射再結合中心的數(shù)目，結果，盡管已經(jīng)報道室溫下光 致發(fā)光(PL)的內部量子效率(riint)約為0.3，但通過發(fā)射紫外光 (約為400 nm)的InGaN多量子阱獲得0.71的足夠高的內部量子效率(rut)。通過4吏用具有50 nm厚度并摻雜有濃度為2xl018/cm3 的Si的底層，制備了使用氪在100(TC下生長的GaN、使用氮在780 。C下生長的GaN以及使用氮在780。C下生長的InQ.。4Ga().96N。
在標題為 "GaN-based semiconductor light-emitting element andmethod for manufacturing the same"的日本未審查專利申i青公開 第2007-80996號(0008 4殳~ 0010 ,殳以及0015 !殳)(下文4爾作專矛J 文獻7)中，7>開了以下沖支術。
專利文獻7的目的在于提供GaN基半導體發(fā)光元件及其制造 方法，GaN基半導體發(fā)光元件能夠在高操作電流密度下進行操作的 期間實現(xiàn)高發(fā)光效率，同時能夠實現(xiàn)操作電壓的顯著降低。
專利文獻7的第一實施例的GaN基半導體發(fā)光元件具有(A) 具有n型導電性的第一 GaN基化合物半導體層、(B)活性層以及 (C)具有p型導電性的第二GaN基化合物半導體層，并進一步具 有(D)形成在第一GaN化合物半導體層和活性層之間的GaN基 化合物半導體的底層以及(E)由GaN基半導體構成、設置在活性 層和第二GaN基化合物半導體層之間并包含p型摻雜物的超點陣結 構層。
為了實現(xiàn)上面目的的專利文獻7的第二實施例的GaN基半導 體發(fā)光元件具有(A)具有n型導電性的第一 GaN基化合物半導 體層、(B)活性層以及(C)具有p型導電性的第二GaN基化合物 半導體層，并進一步具有(D)形成在第一GaN基化合物半導體層 和活性層之間的GaN基化合物半導體的底層，并且第二 GaN基化 合物半導體層具有超點陣結構。
在包纟舌上述伊二選結構和構成的專利文獻7的第 一或第二實施例 的GaN基半導體發(fā)光元件中，可以設置直接與活性層接觸的底層，
或者可以形成在活性層和底層之間形成未摻雜的GaN基化合物半 導體的下部分隔層的結構，并且下部分隔層具有50 nm以下的厚度， 優(yōu)選為20 nm以下。另夕卜，底層厚度為20 nm以上，優(yōu)選為50 nm 以上。另夕卜，對于底層厚度的上限，通過實例提出1 j^m的厚度。 此外，優(yōu)選地，底層和活性層包括In,并且底層的In組分為0.005 以上并^f氐于活性層的In組分。另外，優(yōu)選地，底層包4舌n摻雜物(例 如，Si),并且n型摻雜物的濃度在lxlO"/cm3 lxl()2Vcm3的范圍 內，更加優(yōu)選地在2xl017/cm3~2xl019/cm3的范圍內。底層可基本 由單個組分構成，或者可具有逐漸改變的組分。另外，優(yōu)選地，底 層對于發(fā)光波長而言是透明的。

發(fā)明內容
在具有GaN基化合物半導體的pn結構的發(fā)光元件(發(fā)光二極 管或激光二才及管)中，可以在反向偏壓施加期間內生成漏電流，另 外，在使用GaN基化合物半導體的光檢測器(或光接收元件)中， 當在沒有偏壓或反向偏壓施加期間內沒有將光照射到活性層時，在 一些情況下會生成暗電流。
例如，發(fā)光元件中的漏電流會引起功耗的增加和/或由無意識電 流所引起的電路故障，并且在安裝有大量發(fā)光元件的光學裝置中， 會由此不利地發(fā)生色度亮度干擾(crosstalk )。另外，光接收元件中 的暗電流會不利地降低光檢測器(光接收裝置)的信/噪S/N比。
在具有GaN基化合物半導體的pn結構的發(fā)光元件中，為了保 持穩(wěn)定且優(yōu)化的才喿作性能，強烈期望抑制在反向偏壓施加期間內所 生成的漏電流，以防止由漏電流的生成所引起的電路故障和功肆毛增 加，并抑制安裝有許多發(fā)光元件的光學裝置中的色度亮度干擾。
作為發(fā)光元件中漏電流的生成原因和光4妄收元件中暗電流的
生成原因，會提及在GaN基化合物半導體晶體中生成的V缺陷以 及與此相關的混合位錯和/或螺旋位錯。
過去，眾所周知通過使用具有低位錯密度的基板可以減小漏電 流，例如，通過使用選擇性生長在藍寶石基板上橫向生長所形成的 基板或GaN體基板；但是，為了降低漏電流，需要使用上述特定基 4反，結果，不容易實現(xiàn)成本的降低。
當使用發(fā)光元件(LED)形成裝置時，存在在一個表面上形成 pn電極的方法和通過剝離藍寶石基板等或通過使用導電基板在頂 面或底面上形成電4及的方法。當在一側表面上形成pn電才及時，例 如，可以使用半透明p型電極或使用反射電極的倒裝芯片型。在這 兩種情況下，當使用很大的活性層面積時，驅動電流密度降低，并 且可以期待4交高的效率；4旦是，伴隨著活性層面積的增大，漏電流 會成為一個問題。
另外，在通過4吏用導電基板或通過剝離藍寶石基一反等在頂面和 底面上形成電才及的方法中，不需要通過蝕刻研磨活性層以形成一個 電才及，并且?guī)缀跽麄€芯片表面可^皮用作活性層(結面積)。通過這 種方法，由于即4吏其芯片外部尺寸與另 一種類型的芯片相同也可以 確保更大的活性層面積，所以可以簡化處理，同時，有效地獲得高 效率；但是，也會引起與上述類似的問題。
另夕卜，由于GaN基半導體發(fā)光元件(下文也稱作"GaN基發(fā) 光元件")可以不l又具有各種封裝形式，而且也可以才艮據(jù)應用和光 通量具有各種尺寸，并且標準驅動電流(l喿作電流)也才艮據(jù)GaN基 發(fā)光元件的尺寸而改變，所以難以直接比較GaN基發(fā)光元件性能的 電5危依賴、寸生。
下文中，為了易于比較的目的，代替使用GaN基發(fā)光元件自 身的驅動電流值，將使用通過將驅動電流值除以活性層面積(結區(qū) 域面積)獲得的驅動電流密度(單位A/cm2)。與上述方式類似， 代替使用GaN基發(fā)光元件自身的漏電流值，將使用通過將漏電流值 除以活性層面積獲得的漏電流密度(單位A/cm2)。另外，與上述 類似的方式，對于與GaN基半導體光接收元件相關的暗電流，將使 用通過將暗電流值除以活性層面積獲得的暗電流密度(單位 A/cm2 )。
下文中，盡管具有pn結構的GaN基半導體元件被形成為發(fā)光 元件或光接收元件，但是當描述GaN基半導體元件時，不管該元件 是發(fā)光元件還是光接收元件，都將反向偏壓施加至GaN基半導體元 4牛時所生成的電流稱作"漏電流"。
確信具有pn結構的GaN基半導體元件的漏電流與摻雜在GaN 基化合物半導體中的雜質濃度相關；但是，沒有報道過通過實際測 量確認上述關系的研究。特別地，在包括n型導電層的第一GaN基 化合物層與包括p型導電層的第二GaN基化合物層之間形成活性層 的發(fā)光元件中，沒有才艮道過通過實際測量確認在上述n型導電層中 包括的n型雜質(例如，Si)的濃度與發(fā)光元件的漏電流之間的關 系(摻雜濃度依賴性)的研究。
在專利文獻3中公開了 Si摻雜濃度在2xl017/cm3~2xl019/cm3 的范圍內；在非專利文獻4中公開了 Si摻雜濃度為2xl018/cm3;在 專利文獻7中公開了 n型4參雜濃度伊乙選在lxl016/cm3~ lxl021/cm3 的范圍內，更加優(yōu)選在2xl017/cm3~2xl019/cm3的范圍內；在非專 利文獻1中公開了 Si摻雜濃度從O到3xlO,cm3發(fā)生改變；以及在 專利文獻3中公開了以lxlO力cm3的濃度摻雜Si的結構形成。然而， 在所有上述文獻中，在發(fā)光元件中，還沒有研究n型導電層的n型 摻雜物濃度與漏電流之間的關系，沒有考慮過在由共通配線連接的
許多發(fā)光元件構成的光學裝置中所生成的問題，并且根本沒有討論 光才妻收元件。
盡管專利文獻6公開了 p側接觸層中的優(yōu)選摻雜濃度，但在光 4妄收元件中，沒有研究過n型導電層的n型摻雜物濃度與漏電流之 間的關系，沒有考慮過在由共通配線連4妻的i午多發(fā)光元件構成的光 學裝置中所生成的問題，并且根本沒有討論光接收元件。
當使用發(fā)光元件(LED)形成裝置時，存在在一個表面上形成 pn電極的方法以及通過剝離藍寶石基板等或通過使用導電基板在 頂面或底面上形成電才及的方法。當在一側表面上形成pn電4及時， 例如，可以使用半透明p型電極或使用反射電極的倒裝芯片型。在
這兩種情況下，當使用較大的活性層面積時，驅動電流密度降低， 并且可以期待很高的效率；但是，伴隨著活性層面積的增大，漏電 流會成為一個問題。
另外，在通過4吏用導電基+反或通過剝離藍寶石基寺反等在頂面和 底面上形成電極的方法中，不需要通過蝕刻研磨活性層以形成一個 電才及，并且?guī)缀跽麄€芯片表面可4皮用作活性層(結面積)。通過這 種方法，由于即使其芯片外部尺寸與另 一種類型的芯片相同也能夠 確保4艮大的活性層面積，所以可以簡化處理，同時，可有效獲得高 效率；但是，也會引起與上述類似的問題。
本發(fā)明被提出來解決上述問題，因此，期望提供能夠抑制在反 向偏壓施加期間內所生成的漏電流的氮化鎵(GaN )基半導體元件、 使用該元件的光學裝置及使用該光學裝置的圖像顯示裝置。
即，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種氮化鎵基半導體元件， 包括第一GaN基化合物層，包括n型導電層；第二GaN基化合 物層，包括p型導電層；以及活性層，設置在第一 GaN基化合物層
和第二 GaN基化合物層之間，其中，第一 GaN基化合物層包括具 有n型雜質濃度在3xlO" 3xlO,cm3范圍內的底層，并且當施加 5V的反向偏壓時，作為流過活性層每單位面積的電流密度的漏電 流密度為2xl(T5 A/cm2以下。
另外，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種光學裝置，包 括多個氮化鎵基半導體元件，以二維矩陣形式配置，每一個都為 上述氮化鎵基半導體元件，其中，沿第一方向上的各行設置的氮化 鎵基半導體元件的第 一 電極連接至第 一方向上各行的公共配線，以 及沿第二方向上的各行設置的氮化鎵基半導體元件的第二電極連 接至第二方向上各行的公共配線。
此外，根據(jù)本發(fā)明的再一實施例，提供了一種圖像顯示裝置， 包括像素部，包括上述光學裝置，其中，被動矩陣驅動氮化鎵基 半導體元件。
由于本發(fā)明實施例的氮化鎵基(下文稱作"GaN基")半導體 元件包4舌第一GaN基化合物層，包4舌n型導電層；第二GaN基 化合物層，包括p型導電層；以及活性層，設置在第一GaN基化合 物層與第二 GaN基化合物層之間，并且由于第一 GaN基化合物層 包括具有n型雜質濃度在3xlO" 3xlO，cm3范圍內的底層，當施 加5V的反向偏壓時，作為流過活性層每單位面積的電流密度的漏 電流密度可減小至2xl(T5 A/cm2以下，可以抑制漏電流，可以防止 性能由于色度亮度干擾所引起的劣化，抑制了功耗的增加，并且可 以防止電路故障，使得可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
由于本發(fā)明實施例的光學裝置包括以二維矩陣形式設置的上 述氮化鎵基半導體元件，其中，沿第一方向上的各行設置的氮化鎵 基半導體元件的第 一 電極連接至第 一方向上各行的7>共配線，以及 沿第二方向上的各行i殳置的氮化4家基半導體元件的第二電一及連接
至第二方向上各行的公共配線，所以當施加反向偏壓時，抑制了漏 電流。因此，防止性能由于色度亮度干擾所引起的劣化，抑制了功 耗的增加，并且可以防止電路故障，使得可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操 作性能。
才艮據(jù)本發(fā)明實施例的圖^f象顯示裝置，由于通過上述光學裝置形 成<象素部，并且^皮動矩陣驅動氮化4家基半導體元件，所以當施加反 向偏壓時，由于漏電流的抑制，防止了性能由于色度亮度干擾所引 起的劣化，抑制了功耗的增加，并且可以防止電路故障，使得可維 持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。


圖1是示出本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件的摻雜濃 度和漏電流密度之間的關系的示圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件的層 結構的示圖3A和圖3B是分別示出才艮據(jù)本發(fā)明實施例的GaN基半導體 發(fā)光元件的結構的示圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件 (e^9C)。)的結構的示圖5是示出才艮據(jù)本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件 (9！〉90。)的結構的示圖6是示出#4居本發(fā)明實施例的通過單純矩陣方式(simple matrix system )驅動的半導體發(fā)光元件裝置的部分電路結構的示圖7是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的通過單純矩陣方式驅動的半導 體發(fā)光元件裝置的部分電路結構的示圖8A 圖8C是分別示出根據(jù)本發(fā)明實施例的GaN基半導體 光接收元件的操作控制的示圖9A和圖9B是分別示出本發(fā)明實例的GaN基半導體發(fā)光元 件的估計方法的示圖10是示出本發(fā)明實例的GaN基半導體發(fā)光元件的I-V特性 的示圖11是示出本發(fā)明實例的GaN基半導體發(fā)光元件的I-V特性 的示圖12是示出本發(fā)明實例的GaN基半導體發(fā)光元件的I-V特性 的示圖13是示出相關技術的LED元件的截面圖；以及
圖14是示出相關技術的GaN基半導體元件(LED元件)的示圖。
具體實施例方式
在本發(fā)明實施例的GaN基半導體元件中，優(yōu)選地形成結構， ^f吏得底層的n型雜質濃度為4xl0"/cm3以上，漏電流密度為8xl(T6 A/cm2以下。通過這種結構，當施加反向偏壓時，由于抑制了漏電 流，所以抑制了功耗的增加，防止了由色度亮度干擾所引起的性能 劣化，并且可以防止電路故障，使得可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性 能。
另外，優(yōu)選地形成結構，使得底層的n型雜質濃度為8xl018/cm3 以上，漏電流密度為lxl(T6 A/cm2以下。通過這種結構，當施加反 向偏壓時，由于抑制了漏電流，所以進一步抑制了功庫毛的增加，防 止了由色度亮度干擾所引起的性能劣化，并且可以防止電路故障， 使得可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
此外，優(yōu)選地形成結構，使得底層的n型雜質濃度為lxl019/cm3 以上，漏電流密度為6xl(T7 A/cm2以下。通過這種結構，當施加反 向偏壓時，由于抑制了漏電流，所以進一步抑制了功庫毛的增加，防 止了由色度亮度干擾所引起的性能劣化，并且可以防止電路故障， 使得可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
另外，優(yōu)選地形成結構，使得由包含In的GaN基化合物形成 底層和活性層，以及4吏得形成底層的GaN基化合物的In組分率為 0.005以上并小于形成活性層的GaN基半導體的In組分率。通過這 種結構，可以獲得改善GaN基半導體元件效率的效果和降低操作電 壓的效果。
另外，優(yōu)選地形成結構，佳:得形成底層以具有5 nm~5 iam范 圍內的厚度。通過這種結構，可以獲得降低操作電壓的效果而不降 低結晶質量。
另外，優(yōu)選將底層厚度設置在20 nm ~ 1 )am的范圍內。通過該 結構，可以實現(xiàn)更高質量的晶體，并且可以獲得進一步降4氐GaN基 半導體元件的，喿作電壓的效果。
另夕卜，第二 GaN基化合物層優(yōu)選包括摻雜有p型雜質的GaN 層并具有100nm以上的厚度。通過上述結構，由于第二GaN基化 合物層還起到GaN基半導體元件的表面保護層的功能，所以可以實
現(xiàn)對活性層具有^艮小^皮壞并具有小漏電流的GaN基半導體元件而 不增加元4牛的，喿作電壓。
另夕卜，第一 GaN基化合物層可由4參雜有作為n型^參雜物的Si 的GaN構成。
另外，優(yōu)選地形成元件，使得形成包括第二 GaN基化合物層 的p型GaN層和包括第一 GaN基化合物層和底層的n型GaN層， 元件的端面相對于p型GaN層或n型GaN層的主面傾斜角度ei, 并在端面外部形成反射體以面向端面，并相^f于上述主面令頁殺牛小于 ei的角度02。通過該結構，當GaN基半導體元件被形成為發(fā)光元 件時，可實現(xiàn)高光提取效率(發(fā)光效率)，并且當GaN基半導體元 件-陂形成為光4妻收元件時，可實現(xiàn)高光吸收效率(光4妄收效率)。
另外，GaN基半導體元件優(yōu)選形成為發(fā)光元件。通過該結構， 當施加反向偏壓時，由于漏電流^皮抑制，所以可以實現(xiàn)可抑制功耗 的增加、防止電路故障并保持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能的發(fā)光元件。
另外，GaN基半導體元件優(yōu)選形成為光接收元件。通過該結構， 當通過施加反向偏壓執(zhí)行操作時，由于抑制了漏電流，所以可以實 現(xiàn)可防止電路故障并保持穩(wěn)定且優(yōu)化操作性能的光接收元件。
在本發(fā)明實施例的光學裝置中，上述GaN基半導體元件一皮形 成為發(fā)光元件或光接收元件；當GaN基半導體元件形成為發(fā)光元件 時，以二維矩陣形式設置由此形成的發(fā)光元件以發(fā)光，當GaN基半 導體元件形成為光接收元件時，以二維矩陣形式設置由此形成的光 接收元件以接收光。通過該結構，即使在安裝多個GaN基半導體元 件的光學裝置中，也可抑制色度亮度干擾，可改善發(fā)光效率(光接 收效率)，從而可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。順便提及，代替 二維矩陣，當然也可以以一維矩陣i殳置GaN基半導體元件。
本發(fā)明實施例的圖像顯示裝置是使用由上述GaN基半導體元 件作為發(fā)光元件或光接收元件所形成的光學裝置的圖像顯示裝置； 當GaN基半導體元件形成為發(fā)光元件時，由上述光學裝置形成像素 部，并顯示通過以二維矩陣形式設置的發(fā)光元件發(fā)射的光所形成的 圖像。另外，當GaN基半導體元件形成為光接收元件時，由上述光 學裝置形成第 一像素部，在該第 一像素部中以二維矩陣形式設置的 光接收元件接收光，在與第一像素部不同的第二像素部上顯示基于 由光接收元件接收的光的信號密度所形成的圖像。通過上述結構， 當施加反向偏壓時，由于抑制了漏電流，所以可防止由色度亮度干 擾所引起的性能劣化，因此可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
另外，優(yōu)選地形成至少包括10,000個GaN基半導體元件的結 構。通過該結構，在^f吏用發(fā)紅色(R)、藍色(B)和綠色(G)的 GaN基半導體元件沖丸行彩色顯示的圖l象顯示裝置(諸如QVGA (四 分之一視頻圖形陣列，像素數(shù)320 x 420)、 SVGA (超級四分之一 一見頻圖形陣列，像素數(shù)800 x 600 )或WVGA (寬四分之一視頻圖 形陣列，像素數(shù)800 x480)的圖像顯示裝置)中，抑制了功耗的 增加，可以防止由色度亮度干擾所引起的性能劣化，并且可以防止 電路故障，使得可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
另外，優(yōu)選地形成至少包括l,OOO，OOO個GaN基半導體元件的 結構。通過該結構，在使用發(fā)紅色(R)、藍色(B)和綠色(G) 的GaN基半導體元件執(zhí)行彩色顯示的諸如全配置高保真電視的圖 像顯示裝置中，抑制了功耗的增加，可以防止由色度亮度干擾所引 起的性能劣化，并可以防止電路故障；因此，可以實現(xiàn)能夠維持穩(wěn) 定且優(yōu)化的操作性能的圖像顯示裝置。
本發(fā)明實施例的GaN基化合物半導體元件(下文稱作"GaN 基半導體元件，，)具有包括n型導電層的第一GaN基化合物層、包 括p型導電層的第二 GaN基化合物層以及i殳置在第一 GaN基化合
物層和第二 GaN基化合物層之間的發(fā)光或4妾收光的活性層，并且第 一 GaN基化合物層包括具有n型雜質濃度在3xl018/cm3 ~ 3xlO,cm3范圍內的GaN基半導體的底層。
GaN基半導體元件形成為發(fā)光元件(其中，活性層發(fā)光)或光 4妾收元件(其中，活性層4妾收光)。當將5V的反向偏壓施加給GaN 基半導體元件時，作為流過活性層的每單位面積的電流密度的漏電 流密度為2x 10-5 A/cm2以下。
以二維矩陣形式設置多個上述GaN基半導體元件，以形成光 學裝置，沿第一方向的各行設置的GaN基半導體元件的第一電極連 <接至第 一 方向上各4于的7>共配線，以及沿第二方向的各4于^殳置的 GaN基半導體元件的第二電極連接至第二方向上各行的公共配線。
多個GaN基半導體元件的每一個都被形成為發(fā)光元件，在具 有由上述光學裝置形成的像素部的圖像顯示裝置中，被動矩陣驅動 GaN基半導體元件。多個GaN基半導體元件的每一個都被形成為 光接收元件，在具有由上述光學裝置形成的光接收部的二維光接收 裝置中，被動矩陣驅動GaN基半導體元件。
在具有GaN基化合物半導體的pn結構的發(fā)光元件中，當施加 反向偏壓時，在某些情況下可生成電流。當GaN基〗匕合物半導體#: 形成為發(fā)光元件時，在施加反向偏壓時生成的漏電流？ 1起功耗的增 加以及電路故障，并且在連接并控制發(fā)光元件的裝置中，會由此生 成色度亮度干擾。另外，當GaN基化合物半導體被形成為光接收元 件時，在施加反向偏壓時生成的暗電流引起光4企測器(光接收器) 的S/N率的劣4匕。
下文將描述以下這種情況GaN基化合物半導體被形成為發(fā)光 元件，并且當施加反向偏壓時所生成的電流為漏電流。在GaN基化
合物半導體^皮形成為光4妄收元件并且當施加反向偏壓時所生成的 電流為暗電流的情況下，在以下的描述中，可將發(fā)光改變?yōu)楣?妄收， 并且可將漏電流改變?yōu)榘惦娏鳌?br> 考慮由于位4普和/或缺陷的存在而生成漏電流。在本發(fā)明中，通
過實際測量確^人當控制由GaN基化合物半導體構成并形成第一 GaN基化合物層的底層中摻雜的元素的摻雜濃度時，即使在位錯和 /或缺陷存在的情況下，也能夠顯著降低在反向偏壓施加期間內所生 成的漏電 流。
如一4殳的物理i果本中所描述的，PN結附近的高濃度摻雜增加 了PN結的結電場。作為裝置劣化的主要原因，4是到了電遷移，并 估計大結電場引起了電場遷移并生成漏電流。
然而，根據(jù)本發(fā)明，通過實際測量確認了與上述相反的結果。 另外，盡管也估計當n型雜質本身擴散時，PN結界面附近的高摻 雜濃度會起到漏電流源的功能，但作為測量結果實際獲得了顯著減 小的〉漏電;危。
在本發(fā)明中，在具有p型層和n型層的氮化鎵基發(fā)光元件中， n型底層中的摻雜濃度設置在3xl018/cm3 ~ 9xl019/cm3的范圍內，即， 在通常具有低摻雜濃度的層中增加摻雜量。通過上述結構，可將施 加5V的反向偏壓時所生成的漏電流密度(流過活性層每單位面積 的漏電流的密度)減小至2xl(T5 A/cm2以下。更優(yōu)選地，當n型底 層的4參雜濃度i殳置為4xlO,cm3以上、8xlOi8/cm3以上或lxl019/cm3 以上時，漏電流密度可分別減小至8xlO"A/cm2以下、lxl(T6A/cm2 以下或6x 1 (T7 A/cm2以下。
通過上述結構，由于可以抑制施加反向偏壓時所發(fā)生的漏電流 的生成，所以在諸如圖像顯示裝置的裝置(其中，連接并控制多個
發(fā)光元件)中，可以抑制具有嚴重不利影響的漏電流，可抑制干護" 結果，可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
下文，將參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。
實施例
圖1是示出本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件的底層的 Si摻雜濃度和漏電流密度之間的關系的示圖。
在圖1中，水平軸表示在底層的每單位體積中摻雜的Si濃度， 垂直軸表示當施加反向偏壓(5V )時獲得的漏電流密度(流過活性 層每單^f立面積的漏電流)。
本發(fā)明實施例的GaN基半導體元件具有包括n型導電層的第 一 GaN基化合物層、包括p型導電層的第二 GaN基化合物層以及 i殳置在第一 GaN基化合物層和第二 GaN基化合物層之間并發(fā)光的 活性層，并且第一 GaN基化合物層包括摻雜有n型雜質的Si的底 層。將參照圖2詳細描述形成第一 GaN基化合物層的層和形成第二 GaN基化合物層的層。
從圖1所示的結果可以明顯看出，漏電流密度隨著底層中摻雜 的Si的濃度而改變，因此，通過改變Si的摻雜濃度，可以控制漏 電流密度。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度設置為2xlO"/cm3以上時，漏電流密度可 ;咸小至約lxl(r4A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度i殳置為3xlO,cm3以上時，漏電流密度可 減小至約2x 1 (T5 A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度設置為4xlO'Vcm3以上時，漏電流密度可 減小至約8xl(T6 A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度設置為5xlO，cm3以上時，漏電流密度可 減小至約3x10-6A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度設置為8xl0,cm3以上時，漏電流密度可 減小至約lxlO-6A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度設置為lxl()W/cmS以上時，漏電流密度可 減小至約6x 1 (T7 A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度設置為1.3xlO,cm3以上時，漏電流密度 可減小至約3xl(T7A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i 4參雜濃度"i殳置為2xl019/cm3以上時，漏電流密度可 減小至約lxl(r7A/cm2以下。
當?shù)讓拥腟i摻雜濃度設置為3xlO,cm3以上時，漏電流密度可 減小至約4x 10-8 A/cm2以下。
在用作簡單顯示器的單色圖像顯示裝置(其中，160x120 (QQVGA(十六分之一視頻圖形陣列))個發(fā)光元件以單純矩陣(簡 單矩陣)進4亍配線)的情況下，例如，當驅動電流密度i殳置在10 ~ 100 A/cm2的范圍內時，在反向偏壓施加期間內每個元件的漏電流密 度為((10 ~ 100 ) A/cm2/18,921,即，近合乂為(0.5 ~ 5 ) mA/cm2。 當在反向偏壓施加期間內每個發(fā)光元件的漏電流密度大于該J直 (即，大于約(0.5 ~ 5 ) mA/cm2 )時，所才是供的電流全部作為漏電 流被消耗，因此，不能夠輕易地執(zhí)行期望的發(fā)光。
因此，為了執(zhí)行每個發(fā)光元件的期望發(fā)光，需要將漏電流密度 減小至約驅動電流密度的兩萬分之一以下，并且需要將漏電流密度
減小至約為(0.5 ~5) mA/cm2以下。
在這種情況下，為了在反向偏壓施加期間獲得每個發(fā)光元件約 (0.5 ~5) mA/cm2以下的漏電流密度，圖2所示的底層14的Si摻 雜濃度需要i殳置為3xl018/cm3以上。
另外，當需要1:500以上的比率作為對比率時，需要將漏電流 密度減小至約為驅動電流密度的千萬分之一 (10—7)以下，即，需 要減小至約(1~10) pA/cm2以下。
在這種情況下，為了在反向偏壓施加期間獲得每個發(fā)光元件 (1 ~ 10 ) |aA/cm2以下的漏電流密度，圖2所示底層14的Si摻雜 濃度需要"i殳置為(8xl018/cm3~3xl019/cm3)以上，并且當Si摻雜濃 度設置為3xl018/cm3以上時，可將漏電流密度可靠地減小至1 |aA/cm2以下，佳j尋可以在反向偏壓施力口期間有歲文地減小漏電流密 度。
另夕卜，當?shù)讓拥腟i摻雜濃度為3xlO，cm3以下時，可以穩(wěn)定地 生長具有約為1 pm厚度的平坦膜。另外，當?shù)讓拥腟i摻雜濃度為 2xl019/cm3以下時，不管其膜厚如何都能夠穩(wěn)定地生長平坦膜。
如上所述，在10 A/cm2~ 100 A/cm2的驅動電流密度下，當?shù)?層的Si摻雜濃度設置為3xlO力cm3以上時，漏電流密度可減小至驅 動電流密度的兩萬分之一以下，當?shù)讓拥腟i纟參雜濃度i殳置為 (8xl018/cm3~3xl019/cm3)以上時，漏電流密度可減小至驅動電流 密度的千萬分之一以下。
因此，在具有pn結構的GaN基半導體元件中，可以抑制在反 向偏壓施加期間生成的漏電流密度；因此，即使在安裝有GaN基半 導體元件的光學裝置中，也可以抑制色度亮度干擾，可以改善發(fā)光 效率或光4妄收效率，可以實現(xiàn)^吏用安裝有GaN基半導體元件的光學 裝置的圖像顯示裝置，以及可以維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
圖2是示意性示出本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件的 層結構的截面圖。
如圖2所示，GaN基發(fā)光元件1具有包括n型導電層的第一 GaN基化合物層23、活性層16以及包括p型導電層的第二 GaN基 化合物層29，并且第一 GaN基化合物層23包括GaN基化合物半 導體的底層14。
第一 GaN基化合物層23由厚度為30 nm的緩沖層(也被稱作 LT-GaN層、低溫沉積GaN緩沖層、或低溫緩沖層)11、厚度為1 |am 的未摻雜GaN層12、具有5xl018/cm3的Si摻雜濃度且厚度為3 的n型導電第一GaN基化合物半導體層(GaN: Si層)13、具有如 圖1所示的SH參雜濃度且厚度為150 nm的底層(Ino.o3Gao.97N: Si 層)14以及厚度為5 nm的下部分隔層(未摻雜GaN層)15組成， 這些層以此順序設置在基板(藍寶石基板)10上。
在底層14上形成厚度為111 nm的活性層(InGaN/GaN多量子 阱層)16,并包括交替層壓的厚度為3 nm的阱層(InQ.23GaQ.77N層) 16a和厚度為15 nm的阻擋層(GaN層)16b。在圖2所示的實例 中，活性層16包括7個阱層16a和6個阻擋層16b。在活性層16 上形成第二 GaN基化合物層29。在該結構中，活性層16的In組 分率(0.23 )高于底層14的In組分率(0.03 )。
第二GaN基化合物層29由厚度為10nm的上部分隔層(未摻 雜GaN層)17、具有5xl019/cm3的Mg摻雜濃度且厚度為20 nm的 AlGaN層(AlQ.15Ga。.85N: Mg層)18、具有5xl019/cm3的Mg摻雜濃 度且厚度為100 nm的p型導電第二 GaN基化合物半導體層(GaN: Mg層)19以及具有l(wèi)xl02G/cm3的Mg摻雜濃度且厚度為5 nm的接 觸層(InQ.15Ga。.85N: Mg層)20構成，這些層以該順序設置在活性層 16上。
在該實施例中，由于在第一GaN基化合物半導體層13和活性 層16之間形成底層14，所以可改善形成在底層14上或上方的活性 層16的結晶性，結果，可實現(xiàn)GaN基發(fā)光元件1的性能改善，例 如操作電壓的顯著降低。
另夕卜，形成第一 GaN基化合物層23的層和形成第二 GaN基化 合物層29的層對于發(fā)光波長都是透明的。下文將描述圖2所示的 各層。
藍寶石基^反10
藍寶石基板10是在其上生長晶體的基板，并且由于具有剛玉 結構的C面(C-plane)取向，所以藍寶石基才反10決定了在其上所 生長的氮化鎵晶體的取向。通過使用故意傾斜的C面，可以改善形 成在藍寶石基4反10上的氮化4家基化合物半導體元件的結晶質量和/ 或裝置特性。由于藍寶石基板10是從紫外線至紅外線的波長區(qū)域 中的透明基板，所以獲得高光提取效率而不吸收從發(fā)光元件發(fā)射的 光，結果，可實現(xiàn)發(fā)光效率的改善。此外，由于作為非常硬且穩(wěn)定 的材料，藍寶石可以經(jīng)受氮化鎵基化合物半導體的晶體生長期間的 高溫(700°C ~ 140CTC ),并且還可以經(jīng)受i者如氨的腐蝕氣體。另夕卜， 作為用于形成本發(fā)明實施例的氮化鎵基半導體元件的基板，還可以 使用諸如碳化硅、硅、玻璃、石英、氧化鋅、二硼化鋯、砷化鎵、
磷化鎵、LiA102、氮化鎵和氮化鋁的其它基板。另夕卜，在晶體生長 之后，可以剝離基斗反。
對于面取向(plane orientation),已經(jīng)才艮道了除C面之夕卜的i午 多實例，特別地，近年來開展了對用于生長非才及性GaN的R面藍 寶石和M面藍寶石的研究；但是，C面晶體生長的優(yōu)勢在于通過使 用上述低溫緩沖技術，可以容易地獲得高質量的晶體。還報道了通 過使用具有傾斜C面的基板來獲得具有更高質量的晶體，并且通過 傾斜0.2。~ 1。的基板，可以改善InGaN層的結晶質量和發(fā)光效率。 如上所述，已經(jīng)使用各種材料研究具有各種面取向的基板，并且還 可以-使用具有六邊形結構(包括剛玉結構/纖維鋅礦結構)的除C 面之外的A面、R面和M面、立方體結構(包4舌金剛石結構/閃《辛 礦結構)的(111 )面和(001 )面以及其古史意傾殺+ (例如，0°~ 10°) 面的基玲反。
低溫緩沖層(LT-GaN層)11:
已經(jīng)在一些情況下解釋了該4氐溫緩沖層11的效果， -使得無定 形晶體減小了由晶格失配所引起的應變；然而，根據(jù)近來的研究結 果，相信形成藍寶石基板上GaN的C+面生長(Ga面生成)的晶核 的功能非常重要。已經(jīng)知道，當在高溫(約l，OO(TC )下在藍寶石C 面基板上直接生長GaN時，發(fā)生CT面生長(N面生長)。作為形成 在基板和在其上形成的晶體之間的層，除^f氐溫緩沖層之外，還可以 使用由氮化鋁、其混晶、金屬膜、或部分包括生長阻止材料的選沖奪 生長膜的材料所構成的層，另外，也可以使用在低溫(約50CTC ) 或高溫(大于IOOO'C )下在基板上所生長的材泮牛。 未摻雜的GaN層12:
當通過將溫度升高至約1000°C (GaN的一般生長溫度)處理 形成為低溫緩沖層11的膜，同時使作為原材料的氨和諸如氬氣和 氮氣的載氣流動時，因為蒸發(fā)或表面上原子的遷移，形成了隔離的 粒狀晶核。通常形成由稱作晶面的晶體表面所圍繞的尺寸約為10 ~ 100nm的晶體。通常，生長從晶核開始，例如當才是供三曱基鎵作為 Ga的原材沖牛時，并在該周期內，乂人每個晶核開始發(fā)生才黃向(還在 依賴于條件與其垂直的方向)的生長，以在橫向傳播稱作位錯的晶 體缺陷；結果，可以減少在此后形成的膜中垂直傳纟番的位錯數(shù)量。 從島狀的三維生長到經(jīng)由偽二維生長的二維生長，^v晶核生長的晶 體結合到一起，結果，最終形成了平坦膜。在該實施例中，盡管形 成未一參雜的GaN層12， ^旦可以在其中摻雜Si等。-渚如晶核形成、 三維生長和二維生長的生長才莫式不限于上述方式，才艮據(jù)晶體的生長 條件以及基板和緩沖層的類型，可以執(zhí)行各種模式。
第一GaN基化合物半導體層(GaN: Si層)13:
摻雜Si以獲得n型導電性。為了在上面的二維生長之后形成用 于該層的平坦膜，優(yōu)選地#1行生長，以獲得包括未纟參雜的GaN層 12的2 nm以上的厚度。第一 GaN基化合物半導體層13具有形成 與n型電才及的4妄觸、在n型層中均勻擴散電流以及形成LED的pn 結的功能。根據(jù)上述各個功能，可以有意調制該層中的摻雜濃度、 可以包括諸如AlGaN/InGaN的層、和/或可以調節(jié)厚度。
底層(In0.03Ga0.97N: Si層)14:
底層14包括In， In組分為0.5%以上，并優(yōu)選4氐于活性層16 的阱層16a的In組分，在該In組分范圍內，可以獲得通過In的添 加所產(chǎn)生的效果，即，增加發(fā)光效率和降低操作電壓的效果。當In
組分大于活性層阱層的In組分時，活性層的發(fā)光^皮吸收，并且當 In組分小于0.5%時，劣化了通過上述In的添加所產(chǎn)生的效果。
當?shù)讓雍穸刃∮?nm時，可以容易地獲得電壓降低效果，并 且當厚度大于5 nm時，由于GaN和InGaN之間晶格應變的累積， 結晶質量劣化。即，當?shù)讓拥暮穸仍? nm~5 iam的范圍內時，不 會劣化結晶質量，可以獲得通過In的添加所產(chǎn)生的效果。為了實現(xiàn) 電壓的進一步降低和結晶質量的進一步改善，底層厚度優(yōu)選為20 nm以上，更加優(yōu)選為50nm以上，作為上限，通過實例4是出1 |am 的厚度。
下部分隔層(未摻雜的GaN層)15:
在活性層16和底層14之間形成下部分隔層15。 i殳置下部分隔 層15,以進一步改善將在其上晶體生長的活性層16的結晶性，并 降4氐了4乘作電壓。為了實現(xiàn)低4喿作電壓，下部分隔層15的厚度(換 句話說，底層14和活性層16之間的距離)為50nm以下，優(yōu)選為 20 nm以下。
活性層(InGaN/GaN多量子阱層)16、阱層(In0.23Ga0.77N層) 16a、阻擋層(GaN層)16b:
活性層16是包括具有低帶隙能量的InGaN的阱層16a和具有 寬帶隙能量的GaN的阻擋層16b的多量子阱活性層。在注入來自n 型半導體層的電子和來自p型半導體層的空穴并將其分散在具有低 帶隙能量的阱層16a中之后，發(fā)生電子和空穴之間的再結合，從而 進行發(fā)光。盡管發(fā)光波長根據(jù)阱層16a的晶格應變和厚度而改變， 但在C面上形成的InGaN/GaN量子阱中，生成通過其晶才各應變和 極性所引起的較大壓電電場。因此，由于發(fā)光效率在厚阱層中顯著 劣化，所以實現(xiàn)紫外線至黃光發(fā)射的最佳阱層16a具有約3 nm的
厚度。在具有約3 nm厚度的阱層16a中，對于紫外線發(fā)光，In組 分約為7%，對于藍光發(fā)射約為15%，以及對于綠光發(fā)射約為23%。 為了調節(jié)諸如波長和/或效率的特性，還可以形成包括氮化鋁的混 曰曰。
上部分隔層(未摻雜的GaN層)17:
在活性層16和AlGaN: Mg層18之間形成上部分隔層17。形 成該上部分隔層17以具有100 nm以下的厚度，優(yōu)選為20 nm以下。 形成上部分隔層17,以防止AlGaN: Mg層18中的4參雜物Mg擴 散進入活性層16;因此，抑制了 Mg向活性層16內的擴散，并且 可以獲得改善發(fā)光效率和可靠性的效果。
AlGaN層(Alo.15Gao.85N: Mg層)18:
AlGaN層18是位于活性層(多量子阱層)16附近的p型層， 并且由于由比作為活性層16的阻擋層16b的GaN層具有更高帶隙 能量的AlGaN構成，所以AlGaN層18起到電子阻擋的功能，以阻 止注入活性層16的電子乂人n型層向p型層的溢出或透過。另外， AlGaN層18具有用于將空穴直接提供給活性層16的空穴提供層的 功能，并且由于在活性層16的附近設置高溫下更加穩(wěn)定的AlGaN， 所以也具有耐熱、氫氣等的^f呆護層的功能。該層也可以由包含氮4b 銦的混晶構成，并且除由單一組分構成的層之外，可以形成該層4吏 其組分被連續(xù)或周期性地改變。例如，通過超點陣結構(其中， Al0.15Ga0.85N (層厚1.6 nm )和GaN (層厚2.4nm)被周期性地 形成五次)，可以實現(xiàn)進一步改善輸出和/或進一步減小電壓。
第二GaN基化合物半導體層(GaN: Mg層)19:
第二GaN基化合物半導體層19具有作為p型導電層的、將空 穴乂人p側電4及傳送至活性層16的功能以及一黃向的空穴擴散功能， 并且當形成在活性層16上以作為整個p型層具有100 nm~l |um范 圍內的適當厚度時，第二 GaN基化合物半導體層19還起到表面保 護層的功能。當?shù)诙礼aN基化合物半導體層19的厚度極其小時， 表面破壞等的影響到達活性層16并劣化其特性，結果，會生成漏 電流。當?shù)诙?GaN基化合物半導體層19的厚度極其大時，由于p 型GaN中空穴的遷移率和載流子濃度通常比較低，所以不利地升高 了操作電壓。當?shù)诙?GaN基化合物半導體層19的厚度設置在100 nm~ 1 fim的范圍內時，不會增加操作電壓，減小了對活性層16的 破壞，并且可以實現(xiàn)具有小漏電流的元件。
另外，第二GaN基化合物半導體層19可起到在一些情況下與 金屬直接接觸的接觸層的功能。優(yōu)選的摻雜濃度在約為 lxl0，cm3 2xl0,cm3的范圍內，在上述范圍之外，難以獲得穩(wěn)、定 的p型層，使得易于發(fā)生操作電壓的升高和/或發(fā)光效率的減小。另 外，當形成約為20 nm厚的接觸界面僅具有2xl027cm3 ~ 4xl02G/cm3 范圍內的高摻雜濃度的結構時，也能夠降低接觸阻抗。
接觸層(In0.15Gao.85N: Mg層)20:
由于4吏用比GaN具有更〗氐帶隙能量的InGaN形成4妄觸層20, 所以可以獲得通過減小摻雜Mg的激活能量來輕+>形成p型層的效 果、通過使用GaN/InGaN的頻帶偏移在InGaN中形成高濃度空穴 氣體來減小與p側電極的接觸阻抗的效果以及在InGaN/GaN處使用 壓電電場來進一步減小*接觸阻抗的效果。為了減小-接觸阻抗，In組 分"i殳置在約為5% ~ 25%的范圍內，厚度i殳置在約為1 nm ~ 100 nm 的范圍內，以及Mg濃度在約為O(未摻雜) 4xl0,cm3的范圍內。
當厚度小于1 nm時，降低驅動電壓的效果不明顯，當厚度大 于100nm時，由于晶格的緩和，結晶性劣化。另外，當In組分低 于5%時，降^氐驅動電壓的效果不明顯，當ln組分大于25Q/o時，由 于晶格的緩和，結晶性劣化。另外，當摻雜濃度大于4xl0,cn^時， 結晶性劣化。另外，Mg摻雜濃度可設置為0% (未摻雜)的原因在 于當與接觸層20接觸的GaN層摻雜了 Mg時，來自Mg的空穴 洋皮提供給作為接觸層20的InGaN層，并生成高濃度的空穴。另夕卜， 并不總是需要接觸層20。除由單一組分形成的層之外，也可以形成 該層，使其組分連續(xù)或周期性地發(fā)生改變。
圖3A和圖3B是分別示出本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光 元件結構的示意圖。圖3A是從上觀察時GaN基發(fā)光元件1的示意 圖，圖3B是沿圖3A的線IIIB-IIIB的截示意性面圖。
如圖3A和圖3B所示，在第二 GaN基化合物層29的沖妄觸層 20上形成p側電才及21B，并在通過部分地去除第一 GaN基化合物 層23露出的第一 GaN基化合物半導體層13的一部分上形成n型電 才及21A, <吏4尋可以4吏驅動電流流動。
在該實施例的GaN基發(fā)光元件1中，活性層的面積(結區(qū)域 的面積)設置為6xl(T4 cm2。因此，GaN基發(fā)光元件1的驅動電流 密度為通過將驅動電流值除以活性層面積的6xl(T4 cn^獲得的值。
作為該實施例的GaN基發(fā)光元件1,通過實例提到發(fā)光二極管 (LED )或半導體激光器(LD )，并且可將GaN基發(fā)光元件1應用 于由GaN基發(fā)光元件和顏色轉換材料所形成的發(fā)光裝置、直視型、 投影型等的圖像顯示裝置以及平面光源裝置(背光)。另外，GaN 基發(fā)光元件1也可以應用于照明、日光照明、顯示等的各種裝置。
可以形成GaN基發(fā)光元件1以具有面朝上結構或倒裝芯片結構。
接下來，將描述為了改善效率，形成GaN基發(fā)光元件的截面 以具有梯形形狀的情況。
可以形成具有梯形截面形狀的GaN基發(fā)光元件，4吏其端面相 對于第一 GaN基化合物層23或第二 GaN基化合物層29的主面傾 殺牛角度e^以及^f吏得在端面外部形成與其相對并相對于上述主面傾 斜角度62角(小于角度ej的反射體。即，由包括第一GaN基化合 物層23、第二 GaN基化合物層29以及活性層16的半導體層形成 GaN基發(fā)光元件的二才及管結構，并且作為該半導體層的主面，選才奪 第一 GaN基化合物層23或第二 GaN基化合物層29的主面，并且
該半導體層的端面相對于半導體層的主面傾斜角度e!。
例如，該半導體層的平面形狀為圓形、正方形或矩形，并且當 需要時，可以為例如通過規(guī)則或不規(guī)則地改變圓形的整體或部分所 獲得的另一種形狀(例如，橢圓形)。此外，平面形狀可以是具有n 個(n為3以上的整凄t)角的多邊形或通過失見則或不身見則地改變上 述具有n個角的多邊形的整體或部分所獲得的形狀。
例如，該半導體層的截面形狀可以為梯形或倒梯形，并且也可 以是其修改形狀。另外，該半導體層的傾斜角度0i典型地為常數(shù)； 然而，傾斜角度可以不必總是為常數(shù)，可以在端面內進行改變。
為了改善光提取效率，在發(fā)射體和半導體層的端面之間優(yōu)選形 成具有比半導體層的折射率小的折射率(大于空氣的折射率)的透 明樹脂層。對于透明樹脂層，可以使用各種類型的樹脂，根據(jù)需要 選擇適當?shù)臉渲牧?。對于上述情況，優(yōu)選地，半導體層的厚度設
置在0.3 |Lim ~ 10 |Lim的范圍內，并且該半導體層的厚度與其最大直 徑的比i殳置在0.001 ~ 2的范圍內。
盡管可以4艮據(jù)需要確定半導體層的最大直徑， <旦通常為50 pm 以下，典型為30^im以下，更典型為25^mi以下。另外，當半導體 層在光提取面及其相對面上分別具有第 一 電極和第二電極時，以與 第二電才及歐姆4矣觸地形成反射體，以用作第二電才及的一部分或與其 連4婁的配線的一吾卩分。
另夕卜，當保持30。^e^90。時，形成反射體，以至少包括透明樹 脂層的傾斜面的區(qū)域，通過將端面在與其垂直的方向上4殳影在透明 樹脂層的傾斜面上來形成該區(qū)域。與上述方式類似，當保持 90。se-150。時，形成反射體，以至少包括透明樹脂層的傾斜面的區(qū) 域，通過在與端面垂直的方向上的第一路徑以及在第一 GaN基化合 物層23的底面上反射第一路徑之后朝向透明樹脂層的傾斜面的第 二路徑將端面4殳影在透明樹脂層的傾斜面上來形成該區(qū)域。
另外，優(yōu)選i也形成反射體，以在位于與半導體層的光l是取面相 對的表面上延伸。另夕卜，在30。^e-150。范圍內，當保持30。^e^90。 時，"i殳置4呆持e^ (0i-sin—1 (n3/n2)) /2和6^e!/2,以及當4呆持 90。^e^l50。時，《殳置622 ((e-90) —sin" (n3/n2)) /2和62^ ( e
-90)/2,其中，112表示透明樹脂層的折射率，ri3表示透明樹脂層 外部的介質(諸如空氣)的折射率。
反射面在一些情況下可具有彎曲部分。另外，優(yōu)選地，半導體層在 光提取表面以及與其相對的表面上分別具有第一電極和第二電極， 并且第一電極被設置在除端面在與其垂直的方向上投影到半導體 層的光l是取面上的區(qū)域之外的區(qū)域中。
沖艮據(jù)具有梯形截面形狀的GaN基發(fā)光元件，可顯著改善光提 取效率，可顯著改善發(fā)光效率，并且可進一步獲得容易實現(xiàn)小型化 的發(fā)光二極管。另外，通過使用該小型化的具有高發(fā)光效率的發(fā)光 二極管，例如可以實現(xiàn)高質量的發(fā)光二極管背光、發(fā)光二極管照明 裝置、發(fā)光二極管顯示器以及電子裝置。
圖4是示出本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件(下文在 一些情況下稱作"GaN基發(fā)光元件")(9^90。)的結構的截面圖。
如圖4所示，由第一 GaN基化合物層23、設置在其上的活性 層16以及設置在活性層16上的第二 GaN基化合物層29構成GaN 基發(fā)光元件(e一90。)。例如，第一GaN基化合物層23、活性層16 和第二 GaN基化合物層29整體上具有圓形平面形狀，并且端面(側 面)25相對于第一 GaN基化合物層23的底面傾殺+角度e"第一 GaN基化合物層23、活性層16和第二 GaN基化合物層29的直徑 方向上的截面形狀為梯形(e^90。)，并且在第二 GaN基化合物層 29上，例如形成圓形的p側電極21B。形成透明樹脂層26,以覆 蓋端面25和p側電才及21B外圍的第二 GaN基化合物層29的上表 面。另外，形成反射膜24,以整體覆蓋透明樹脂層26和p側電極 21B。在第一 GaN基4匕合物層23的底面上，例如，形成圓形的n 型電4及21A。
在該GaN基發(fā)光元件(e^90。)中，為了4吏光才是取效率最大， 下面的結構是最優(yōu)的。
(1 )透明樹脂層26的傾殺+面27相對于第一 GaN基化合物層 23的底面傾斜角度02，因此，反射膜24也相對于第一GaN基化合
物層23的底面傾斜角度02角。在這種情況下，保持e^e!。因此，
由于從活性層16生成并從端面25發(fā)射的光被該反射膜24反射并 向下4亍進，所以可以容易地將光4是取到外部。
(2 )當?shù)谝?GaN基化合物層23、活性層16和第二 GaN基化 合物層29的整體折射率表示為ni時，透明樹脂層26的折射率n2 滿足公式空氣的折射率〈n^n!。因此，與端面25外部的介質為空 氣的情況相比，由活性層16生成并入射到端面25的光可能從端面 25發(fā)射至外部，并可能最終提取到外部。
(3 )當GaN基發(fā)光元件(e！〈90。)的最大直徑(即，第一 GaN 基化合物層23的底面直徑)表示為a,且總厚度(高度)表示為b 時，纟從才黃比b/a在0.001 ~2的范圍內，b在0.3 |um~ 10 |um的范圍內。
(4 )作為反射膜24的材料，4吏用諸如主要由Au或Ag構成 的金屬的、具有對發(fā)光波長的光具有更高反射率的材^"。因此，乂人 端面25和第二 GaN基化合物層29的頂面發(fā)射到外部的光可以被該 反射膜24有效地反射，并最終可能#皮|是取到外部。另外，該反射 膜24與p側電才及21B歐姆4妄觸，并且還^皮用作p側電4及21B的一 部分或與其連接的配線的一部分。結果，可以減小p側電極21B的 阻抗，因此，可降^氐才喿作電壓。
(5)當保持30。幼-90。時，如圖4所示，形成反射膜24,以 至少包括透明初于脂層26的傾殺牛面27的區(qū)i或，通過將端面25在與 其垂直的方向上沖殳射在透明樹脂層26的傾斜面27上來形成該區(qū) 域。以與上述類似的方式，當保持90。^e-150。時，形成反射膜24， 以至少包4舌透明杉十脂層26的傾殺牛面27的區(qū)纟或，通過在與端面25 垂直的方向上的第一路徑以及在第一 GaN基化合物層23的底面上 反射第一路徑之后朝向傾斜面27的第二路徑將端面25投影在透明 樹脂層26的傾斜面27上來形成該區(qū)域。因此，由于由活性層16 生成并從端面25發(fā)射的大部分光一皮該反射膜24反射并向下行進， 所以光線可以^皮^是耳又到外部。
(6) 不僅在端面25的透明樹脂層26上形成反射膜24，而且 還在第二 GaN基化合物層29的頂面上的透明樹脂層26上和p側電 極21B上形成反射膜24。因此，除了由活性層16生成并從端面25 發(fā)射的光之外，從第二 GaN基化合物層29的頂面發(fā)射的光也被反 射膜24反射并向下行進，因此，光可以被提取到外部。
(7) 另夕卜，在30。幼-150。的范圍內，選擇9i和e2,使得當保 持30。幼-900時，e2> ( Qi - sin-1 ( n3/n2 )) /2和02幼i/2保持，以及 當保持90。幼^150。時，02> (( e！ - 90 ) - sin" ( n3/n2 )) /2和e^ ( 0! -90) /2保持。在這種情況下，113表示與透明樹脂層26的底面接 觸的外部介質的折射率。當保持e^90。時，在光4是耳又面上全反射的 光入射到反射膜24上。如圖4或圖5所示，上述e^:(e！ -sin"( n3/n2 )) /2或e^ (( e！ - 90 ) - sin" ( n3/n2 )) /2表示/人端面25在與其垂直 的方向上發(fā)射的光在透明樹脂層26和外部介質之間的界面上沒有 全反射的條件。另夕卜，上述02幼"2或e^ (e! - 90) /2表示光沒有 從透明樹脂層26側入射到端面25上的條件。
(8) 在通過將第二 GaN基化合物層29的頂面在與其垂直的 方向上沖殳影在第一 GaN基化合物層23的底面上所形成的區(qū)域中形 成n側電極21A。因此，可獲得以下優(yōu)點。即，在該GaN基發(fā)光元 件(6^90°)中，由活性層16生成的大部分光被端面25反射以向 下行進并凈皮4是取到外部，集中在通過將端面25才史影在第一GaN基 化合物層23的底面上所形成的區(qū)域中。當在上述區(qū)域中形成n側 電極21A時，由于提取到外部的光被n側電極21A阻擋，所以產(chǎn) 生光量損失。因此，優(yōu)選地，n側電極21A形成在除上述區(qū)域之外 的區(qū)域中，即，在通過將第二GaN基化合物層29的頂面在與其垂 直的方向上投影在第一 GaN基化合物層23的底面上所形成的區(qū)域 中，并且在該區(qū)i或內，可以自由地形成n側電才及21A。
通過實例在下面描述GaN基發(fā)光元件(e!〈90。)的尺寸、材料 等。例如，第一GaN基化合物層23的厚度為2600nm,活性層16 的厚度為200 nm，以及第二 GaN基化合物層29的厚度為200 nm。
例如，活性層16具有由InGaN阱層和GaN阻擋層構成的多量 子阱(MQW)結構，例如當GaN基發(fā)光元件(9^90°)沖丸行藍光 發(fā)射時，InGaN阱層的In組分為0.17,例如當GaN基發(fā)光元件 (9！〈90。)執(zhí)行綠光發(fā)射時，In組分為0.25。
例如，GaN基發(fā)光元件(e一90。)的最大直徑為20 ium。當?shù)?br> 一 GaN基4匕合物層23的厚度為2600 nm且活性層16的厚度與第
二 GaN基化合物層29的厚度都為200 nm時，如上所述，該GaN 基發(fā)光元件(e^90。)的總厚度為(2,600+200+200 )=3，000 nm=3 ]um。 在這種情況下，GaN基發(fā)光元件(e,〈90。)的縱橫比b/a為3/20 = 0.15。
例如，e！為50°。當透明樹脂層26的折射率112例如為1.6時， 以及例如當通過S走涂法形成該透明樹脂層26 4吏得平坦部分涂覆時 的厚度約為1 通過硬化收縮使厚度減小至其70%時，92例如
為20。。
由具有例如Ag/Pt/Au結構的金屬多層膜形成p側電極21B， Ag月莫的厚度例如為50 nm, Pt月莫的厚度例如為50 nm,以及Au月莫 的厚度例如為2000 nm。 P側電極21B也可以為Ag的單層膜。
例如，由具有Ag/Au結構的金屬多層膜形成反射膜24，且Ag 膜和Au膜的厚度均例如為50 nm。反射膜24可以為Ag的單層膜。
例如，由具有Ti/Pt/Au結構的金屬多層膜形成n側電極21A, Ti膜和Pt膜的厚度均例如為50 nm, Au膜的厚度例如為2000 nm。
在GaN基發(fā)光元件(e^90。)中，在操作期間由活性層16生 成的光一皮端面25反射，隨后/人第一 GaN基化合物層23的底面^是取 到外部；在才喿作期間由活性層16生成的光從端面25和第二 GaN基 化合物層29的頂面發(fā)射，隨后被發(fā)射膜24反射，然后從透明樹脂 層16的底面才是取到外部；或者在才喿作期間由活性層16生成的光直 接進行到第一GaN基化合物層23的底面，隨后提取到外部。因此， 在這種情況下，為了使光提取效率最大，優(yōu)化各個部分，從GaN基 發(fā)光元件(e^90。)纟是取到外部的光量才及大。
圖5是示出本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元件(e！〉90。) 的結構的截面圖。
如圖5所示，在GaN基發(fā)光元件(e！〉90。 ) 1中，第一 GaN基 化合物層23、活性層16和第二 GaN基化合物層29的直徑方向上 的截面形狀為倒梯形(6>90。)。
在GaN基發(fā)光元件(e^90。)中，與圖4所示的GaN基發(fā)光 元件(e,〈90。)相比，由于可增大第二GaN基化合物層29的直徑， 所以增大可p側電極21B的直徑。因此，可減小電流密度，可防止 亮度飽和，并且還可以減小p側電極21B的接觸阻抗，〗吏得可以降 低操作電壓。
如上所述，通過將GaN基發(fā)光元件的結構最優(yōu)化，可使光提 取效率最大化，并且可顯著改善發(fā)光效率。4艮據(jù)上述GaN基發(fā)光元 件，例如，在活性層16中生成的大約61.7%的光可從第一 GaN基 化合物層23的底面提取。另外，例如，由于上述GaN基發(fā)光元件 具有可適當進4亍小型化的結構，所以可容易地獲得具有幾十孩史米以 下尺寸的非常小的元件。
上述GaN基發(fā)光元件可被形成用于藍光發(fā)射、綠光發(fā)射或紅 光發(fā)射，并且可以實現(xiàn)發(fā)光二極管顯示器、發(fā)光二極管背光、發(fā)光 二才及管照明裝置等。另外，例如，上述GaN基發(fā)光元件可用于諸如 手才幾的各種電子裝置的顯示和照明。上述GaN基發(fā)光元件可用作藍 光發(fā)射或綠光發(fā)射的發(fā)光二極管，并且作為紅光發(fā)射的發(fā)光二極 管，可使用紅光發(fā)射的AlGalnP基半導體發(fā)光元件。
另外，上述GaN基半導體元件可作為光接收元件而操作，在 這種情況下，根據(jù)圖4和圖5所示的結構，可以實現(xiàn)光接收元件的 高光吸收效率(光接收效率)。
才艮才居該實施例的多個GaN基半導體元4?？梢砸远S矩陣形式 進行設置，以形成光學裝置。
在上述光學裝置中，在第一方向上的各行中設置的多個GaN 基半導體元件的第一電極連接至各行的公共配線，以及在第二方向 上的各行中設置的多個GaN基半導體元件的第二電極連接至各行 的/〉共配線。
在具有由上述光學裝置形成的像素部的圖像顯示裝置中，GaN 基半導體元件被被動矩陣驅動。圖像顯示裝置優(yōu)選具有至少包括10 萬個上述GaN基半導體元件的結構，更加優(yōu)選地具有至少包括一百 萬個上述GaN基半導體元件的結構。
另外，在具有由上述光學裝置形成的光接收部的二維光接收裝 置中，GaN基半導體元件祐^皮動矩陣驅動。
例如，在具有以矩陣形式"i殳置的多個發(fā)光元件的圖4象顯示裝置 中，由于在VGA (視頻圖形陣列)中需要640 x480個點，所以當
使用三種發(fā)光波長R (紅色)、G (綠色)和B (藍色)時，設置約 92萬個發(fā)光元4牛。
作為將圖像信號提供給上述圖像顯示裝置的一種方法，可以提 到利用單純矩陣方法(也稱作'4皮動矩陣方法")的驅動方式。通 過該驅動方式，形成沿X軸方向^殳置的X配線和沿Y軸方向i殳置 的Y配線，并通過在X軸方向和Y軸方向上施加電壓，驅動連4妻 至被選擇并4皮此相交的X配線和Y配線的發(fā)光元件。通過單純矩 陣方法，由于結構簡單，所以可獲得諸如低成本和高產(chǎn)量的優(yōu)勢。
在相關戶外LED顯示器(這種類型的顯示器凈皮分成多個部件， 這些部件;故單獨驅動，并且i殳置在每個部件中的元件ft量相對壽交 小)和其它一4殳LED的應用中，比驅動電流小幾個數(shù)量級的漏電 流幾乎不會引起問題；然而，當通過單純矩陣方法驅動至少10萬 個或至少一百萬個元件時，需要注意漏電流并對其進行抑制。
當通過單純矩陣方法驅動發(fā)光元件時，由于保持沒有被驅動的 發(fā)光元4牛以不會由于反向偏壓施力口而發(fā)光，所以當施力口反向4扁壓 時，在每個發(fā)光元件中生成的漏電流成為問題。
在單純矩陣方法中，為了簡〗匕配線，由于X配線和Y配線起 到用于以矩陣形式設置的發(fā)光元件的公共配線的功能，所以即使每 一元件的漏電流4艮小，4旦總的漏電流4妄近于元件凄t與每個元件漏電 流的乘積。
例如，即使當每個發(fā)光元件的漏電流為1 nA時，在上述VGA 的情況下，總電流變得非常大，例如，約為1 A。在上述狀態(tài)下， 不能期待發(fā)光，并且提供給圖像顯示裝置的電能的大部分由于漏電 流而無意義地被消耗。因此，難以使用具有大漏電流的發(fā)光元件用 于圖像顯示裝置。另外，當上述發(fā)光元件被用于具有大量像素的圖
像顯示裝置時，除了由漏電流所引起的功耗的增加之外，還會由于 干擾等引起質量劣化的問題。
體發(fā)光元件裝置的部分電路結構的示圖。
如圖6所示，GaN基發(fā)光元件(Dn,m, Dn，m+1, Dn+1,m, Dn+1,m+1， ) 連接至X方向上的X配線(Xn, Xn+1, )和Y方向上的Y配線(Ym, Ym+1， )，用于根據(jù)單純矩陣方法進行驅動。GaN基發(fā)光元件(Dn,m, Dn,m+1， Dn+1,m, Dn+1,m+1， )的p側電極21B連接至X配線(Xn, Xn+1, )，GaN基發(fā)光元件(Dn,m， D—， Dn+1,m， Dn+1，m+1， )的n側電極 21A連4妄至Y配線(Ym, Ym+1， )。
圖7是示出才艮據(jù)本發(fā)明實施例的通過單純矩陣方法驅動的半導 體發(fā)光元件裝置的部分電路結構的示圖。
參照圖7,進一步詳細地描述通過單純矩陣方法驅動的半導體 發(fā)光元件裝置的部分電路結構。
GaN基發(fā)光元件連4妄至X方向上的X配線(Xn， Xn+1， Xn+2, Xn+3, Xn+4, )和Y方向上的Y配線(Ym, Ym+1， Ym+2， Ym+3, Ym+4, Ym+5, Ym+6， )。
例如，GaN基發(fā)光元件(Dn,m， Dn,m+1， Dn,m+2, Dn,m+3， Dn,m+4, Dn， m+5, Dn, m+6, )的p側電極21B連接至X配線(Xn); GaN基發(fā)光元
件 (Dn+i,m， Dn+i,m+l, Dn+i, m+2， Dn+i,m+3, Dn+i，m+4， Dn+i，m+5, Dn+i,m+6, )
的p側電極21B連接至X配線(Xn+1 );下文中，以上述相同的方 式，GaN基發(fā)光元件的p側電極21B連接至X配線(Xn+2, Xn+3， Xn+4, )。
例如，GaN基發(fā)光元件(Dn,m，Dn+1,m,Dn+2,m,Dn+3，m，Dn+4，m， ) 的n側電極21A連接至Y配線(Ym ); GaN基發(fā)光元件(Dn, m+1， Dn+1, m+i, Dn+2, m+1， Dn+3， m+1, Dn+4， m+1, ~ )的n側電極21A連接至Y配線 (Ym+1);下文中，以上述相同的方式，GaN基發(fā)光元件的n側電 極21A連接至Y配線(Ym+2, Ym+3, Ym+4， Y
m+5， Ym+6， )。
在該實施例中，設置GaN基發(fā)光元件以沿著Y方向的各4亍執(zhí) 4亍共同的發(fā)光，并且如圖6和圖7所示，在X方向上/人左到右重復 設置發(fā)射R (紅色)、G (綠色)和B (藍色)的GaN基發(fā)光元件。 例如，沿著Y配線(Ym， Ym+3， Ym+6， )設置發(fā)射R (紅色)的GaN 基發(fā)光元件，沿著Y配線(Ym+1, Ym+4， Ym+7， )設置發(fā)射G (綠色) 的GaN基發(fā)光元件，并且沿著Y配線(Ym+2， Ym+5, Ym+8, )設置發(fā) 射B (藍色)的GaN基發(fā)光元件。圖6和圖7所示的半導體發(fā)光元 件裝置(光學裝置)被用作圖像顯示裝置。
盡管可以由GaN基發(fā)光元件形成所有的發(fā)射R(紅色)、G(綠 色)和B (藍色)的發(fā)光元件，但是由GaN基發(fā)光元件形成發(fā)射G (綠色)和B (藍色)的發(fā)光元件，以及可以由AlGaInP基半導體 發(fā)光元件形成發(fā)射R (紅色)的發(fā)光元件。
即，當根據(jù)單純矩陣方法執(zhí)行布線時，在該實施例中，所有的 發(fā)光元件可以不為GaN基發(fā)光元件，并且在以矩陣形式設置的發(fā)光 元件中，可以由GaN基發(fā)光元件形成其中的一些。
當光學裝置被用作圖像顯示裝置時，并且當如圖6和圖7所示 通過單純矩陣方法驅動圖Y象顯示裝置時，將正向偏壓施加給連4妻在
并將反向偏壓施加給其它GaN基發(fā)光元件。
在該實施例中，由于圖2所示GaN基半導體元件的底層14的 Si摻雜濃度4皮i殳置為3xl018/cm3以上，所以漏電濟u密度可減小至 2xl0-s/cm2以下；由于Si摻雜濃度優(yōu)選設置為4xl018/cm3以上，所 以漏電流密度可減小至8xl(TVcm2以下；由于Si摻雜濃度更加優(yōu)選 地設置為8xl0,cm3以上，所以漏電流密度可減小至lxl0々cm2以 下；此外，由于Si摻雜濃度更加優(yōu)選地設置為lxlO,cm3以上，所 以漏電流密度可減小至6 x 10力cm2以下。
如上所述，當施加反向偏壓時，即，當馬區(qū)動裝置時，可以減小 沒有^皮選4奪的GaN基半導體元件(GaN基半導體發(fā)光元件或GaN 基半導體光接收元件)的漏電流，防止了由干擾所引起的特性劣化， 同時，抑制了功耗的增加，使得可以實現(xiàn)具有穩(wěn)定且優(yōu)化的操作特 性的GaN基半導體元件。
接下來，為了解釋說明的目的，將160 x 120 (QQVGA)發(fā)光 元件進4于單純矩陣配線的單色圖 <象顯示裝置描述作為更單純的顯 示器。由于在發(fā)光元件自身中存在微小的漏電流，所以在電路中共 同配線的159 ( 160 - 1 )或119 ( 120 - 1 )個發(fā)光元4牛中產(chǎn)生正向 偏壓的泄漏，同時，在剩余的18922 ( 160 x 120— ( 159+ 119))個 發(fā)光元件中產(chǎn)生反向偏壓的泄漏。
例如，當驅動電流密度在10 A/cm2 ~ 100 A/cm2范圍內時，反 向偏壓施加期間每個元件的漏電流密度為(10A/cm2~ 100A/cm2) /18922，即，約為(0,5 ~ 5 ) mA/cm2，并且當反向^扁壓施力口期間每 個發(fā)光元件的漏電流密度大于約(0.5 ~ 5 ) mA/cm2時，所有流動的 電流都被作為漏電流消耗掉；結果，難以執(zhí)行期望的發(fā)光。因此， 需要將漏電流密度抑制在約為驅動電流密度的兩萬分之一 以下。
此外，當需要1:500以上的對比率時，期望將漏電流密度減小 至驅動電;充密度的千萬分之一 (即，1 pA/cm2 ~ 10 nA/cm2 )以下。
在這種情況下，為了將漏電流密度減小至驅動電流密度的千萬分之
一 (即，1 ]LiA/cm2 10)uA/cm2)以下，通過圖1所示的結果，圖2 所示底層14的Si摻雜濃度有效地設置為(8xl018/cm3 ~ 3xl018/cm3 ) 以上，并且可以有效地減小反向偏壓施加期間流出發(fā)光元件的漏電
流o
通過實例使用單色QQVGA圖^f象顯示裝置在上面描述了驅動電 流密度設置為10 A/cm2 ~ 100 A/cm2以及對比率維持為1:500以上的 情況，并且在用于RGB彩色顯示的QQVGA圖^f象顯示裝置的情況 下，與上述方式類似，漏電流密度需要減小至(0.35 |uA/cm2~3.5 pA/cm2)以下。為了滿足上述條件，通過圖l所示的結果，可將圖 2所示底層14的Si摻雜濃度設置為(lxl019/cm3 ~ 4xl018/cm3)以 上。
與上述方式類似，在用于RGB彩色顯示的QVGA圖4象顯示裝 置的情況下，漏電流密度需要減少至(0.1 ~0.9 pA/cm2)以下。為 了滿足上述條件，通過圖1所示的結果，可將圖2所示底層14的 Si摻雜濃度設置為(1.5xl019/cm3 ~ 8xl018/cm3 )以上。
與上述方式類似，當驅動電流密度i殳置為100 A/cn^且對比率 維持在1:500以上時，在用于RGB彩色顯示的VGA、 SVGA和 WVGA圖像顯示裝置的情況下，漏電流密度需要分別減小至0.22 pA/cm2以下、0.14 |dA/cm2以下和0.17 |uA/cm2以下。為了滿足上述 條件，通過圖1所示的結果，可將圖2所示底層14的Si摻雜濃度 設置為1.5xlO"/cm3以上。
如上所述，以矩陣形式設置非常大量的GaN基發(fā)光元件，GaN 基發(fā)光元件的一側電極連接至各自的公共配線，另 一側電極也被連 接至各自的公共配線。隨后，將基于所需圖像信號的信號提供給進 行公共配線的電極，并基于圖像信號將電流提供給每個GaN基發(fā)光
元件，使得可執(zhí)行發(fā)光。4艮據(jù)形成圖像顯,裝置的GaN基發(fā)光元件 的數(shù)量，由于基于圖1所示的結果確定底層14的Si摻雜濃度，所 以可有效減'J 、在反向偏壓施加期間流出發(fā)光元件的漏電流。
根據(jù)實施例，同樣在具有非常大量像素的圖像顯示裝置中，可 以解決由漏電流所引起的功碑毛的增加，同時，還可以解決由色度亮 度干擾所引起的圖像質量的劣化。因此，在圖像顯示裝置中，特別 地，在獨立驅動各個〗象素的裝置中，可以改善其圖^象質量，并且還 可以實現(xiàn)功耗的降低。
盡管沒有特別限制該實施例的圖像顯示裝置，但GaN基發(fā)光 元件的尺寸可減小至例如具有約為100 )Lim以下尺寸的非常小的發(fā) 光元件。另外，盡管沒有特別限制共同連接的發(fā)光元件的數(shù)目，但 可以形成例如至少包4舌一百萬個it/f牛的圖^f象顯示裝置。
在該實施例中，作為光學裝置，通過實例描述了能夠發(fā)射多色 光的圖像顯示裝置；然而，本發(fā)明可應用于單色圖像顯示裝置、能 夠改變發(fā)光顏色的照明裝置等。另外，在該實施例中，盡管活性層 具有多量子阱結構，^旦也可以形成單量子阱結構。
圖8A~圖8C是示出本發(fā)明實施例的GaN基半導體光4妾收元 件的操作控制的示圖；圖8A是示出沒有偏壓施加的光檢測的示圖； 圖8B是示出反向偏壓施加期間的光檢測的示圖；圖8C是示出通過 單純矩陣方法操作和控制的光接收裝置的部分電路結構的示圖。
在如圖8A所示不施加偏壓的情況下或在如圖8B所示施加偏 壓用于快速響應和/或改善光接收敏感性的狀態(tài)下執(zhí)行GaN基半導 體光4妄收元件(下文也稱作"GaN基光4妄收元件")的光4企測。通 常，在GaN基光接收元件中，即使當光接收元件被置于暗狀態(tài)使其 活性層(光"l妄收層)不^皮光照射時，暗電流(漏電流)流過并生成
背景噪聲。因此，當將反向偏壓施加給光接收元件時，如果存在暗
電流，則不會改善S/N比。當抑制該暗電流時，從而改善光接收元 <牛的S/N比。
如圖8C所示，類似于圖6和圖7所示的GaN基發(fā)光元件，GaN 基光接收元件連接至X方向上的X配線(Xn, Xn+1, Xn+2, )和Y方 向上的Y配線(Ym, Ym+1, Ym+2， )。在圖8A ~圖8C中，盡管沒有 示出GaN基光4姿收元件的具體結構，^f旦形成各個GaN基光4妄收元 件，以具有與圖1 ~圖6所示各個GaN基發(fā)光元件類似的結構。
例如，GaN基光4妄收元件(Rn,m, Rn,m+i, Rn,m+2， )的p側電才及 21B連接至X配線(Xn ); GaN基光接收元件(Rn+1,m， Rn+i,m+i， Rn+i,m+2， )的p側電極21B連接至X配線(Xn+1);下文中，與上述方式類 似，GaN基光接收元件的p側電極21B連接至X配線(Xn+2, Xn+3, Xn+4， )。
例如，GaN基光接收元件(Rn,m,Rn+i,m,Rn+2,m， )的n側電極 21A連接至Y配線(Ym ); GaN基光接收元件(Rn, m+1, Rn+1, m+1， Rn+2, m+1， )的n側電極21A連接至Y配線(Ym+1);下文中，與上述方 式類似，GaN基光接收元件的n側電極21A連接至Y配線(Ym+2， Ym+3, Ym+4， )。
另夕卜，如圖8C所示，在X配線(Xn, Xn+1, Xn+2， )中分別i殳 置X配線開關(SXn， SXn+1, SXn+2, )，以及在Y配線(Ym， Ym+1， Ym+2， )中分別設置Y配線開關(SYm, SYm+1, SYm+2，~)。即，在X配線
Xn、 X配線Xn、 X配線Xn + 2等中分別設置開關SXn、開關SX"!、 開關SXn + 2等，以及在Y配線Ym、 Y配線Ym十Y配線Ym + 2等中 分別設置開關SYm、開關SYmM、開關SYm + 2等。
通過圖8C所示的X配線開關(SXn， SXn+1， SXn+2， )和Y配線 開關(SYm， SYm+1, SYm+2， )的開關控制^f吏用單純矩陣方法來^:作 和控制通過以二維矩陣形式設置的GaN基光接收元件的光4企測。在 圖8C所示的狀態(tài)下，X配線開關(SXn， SXn+1， SXn+2, )的開關SXn+2 置于接通狀態(tài)，其它開關置于斷開狀態(tài)；Y配線開關(SYm, SYm+I， SYm+2， )的開關SYm+2置于接通狀態(tài)，其它開關置于斷開狀態(tài)。因 此，選擇GaN基光接收元件Rn+2， m+2選4奪作為執(zhí)行光4全測的光接收 元件，并通過電流表測量通過光吸收生成的光電流。
另夕卜，盡管通過單純矩陣方法控制GaN基光4妾收元件的才喿作， 并通過連接至被選擇并彼此相交的X配線和Y配線的光接收元件 在不同的位置順次執(zhí)行光檢測，但所有GaN基光接收元件都被置于 沒有施加偏壓的狀態(tài)(圖8A)或施加了反向偏壓的狀態(tài)(圖8B)。
上面描述了以二維矩陣形式設置GaN基半導體元件(GaN基 半導體發(fā)光元件或GaN基半導體光接收元件)的情況。然而，在 GaN基半導體元件以一維方式連4妄至相同的7〉共配線的情況下，例 如，當在與上述二維矩陣配置的情況相同的待機狀態(tài)下在反向偏壓 方向上對半導體元件施加電壓時，由于漏電流與元件數(shù)量成正比地 增加，所以當漏電流^艮大時，功碑毛也增大，結果，連4妄有多個元件 的電路會根據(jù)其電路結構而損壞。通常，在一些情況下，可以在電 路側附加提供保護元件(整流器、二極管等)；但是，電路變得復 雜，并且成本會不利地增加。
盡管依賴于制造溫度歷史，但由于GaN基半導體元件(GaN 基半導體發(fā)光元件或GaN基半導體光4妄收元件)具有4氏抗700 ~ 1400。C高溫的耐熱性和抵抗諸如氨氣的腐蝕氣體的耐腐蝕性，所以 其可被用作在需要耐熱性和/或耐腐蝕性的條件下的可操作元件。實例
下文，將詳細描述4艮據(jù)本發(fā)明實施例的GaN基半導體發(fā)光元 件的底層14的漏電流密度和Si摻雜濃度的測量及其測量結果。
圖9A和圖9B是分別示出本發(fā)明實例的GaN基半導體發(fā)光元 件的估計概念的截面圖；圖9A是示出GaN基發(fā)光元件的發(fā)光密度 的估計方法的示圖；圖9B是示出GaN基發(fā)光元件的漏電流的估計 方法的示圖。
如圖9A和圖9B所示，為了估計GaN基發(fā)光元件，通過4吏用 光刻處理和蝕刻處理，部分i也露出具有第一 GaN基4匕合物層23的 n型導電性的第一GaN基化合物半導體層13 (圖2 ),在第二 GaN 基化合物層29的接觸層20 (圖2 )上形成Ag/Ni的p側電極21B, 并且在第一 GaN基化合物層23的第一 GaN基化合物半導體層13 上形成Ti/Al的n側電4及21A。
如圖9A所示，為了估計GaN基發(fā)光元件的發(fā)光密度，在GaN 基發(fā)光元件1的n側電才及21A和p側電才及21B之間施力。正向電壓， 并通過光學傳感器檢測發(fā)光密度。
如圖9B所示，為了估計GaN基發(fā)光元件的漏電流，在GaN 基發(fā)光元件1的n側電才及21A和p側電4及21B之間施加反向電壓， 并通過皮安培表才企測在p側電才及21B和n側電4及21A之間流動的漏電流。
下文，將描述當?shù)讓?4的Si摻雜濃度設置為2xl018/cm3 (通 常的Si摻雜濃度)、比上述值更高的5xl018cm3和1.3xl019/cm3時
獲得的漏電流的測量結果。
在藍寶石基才反10上生長的《爰沖層(LT-GaN層)11中，生成 濃度約為5xl08/cm2的貫通位錯，并且上述三種類型的采樣的位錯 密度彼此相同。在形成圖2所示的層之后，通過氮氣中的退火來執(zhí) 行p型層的激活，并通過千蝕刻露出第一GaN基化合物半導體層(n 型層)13。分別在接觸層(p型層)與露出的n型層13的表面上形 成Ag/Ni的p側電才及21B和Ti/Al的n側電4及21A,并通過纟果4十測 量估計反向偏壓施加期間的漏電流(圖9B)。如在許多文獻中所公開開的，作為用于形成上述元件的方法，可以z使用各種蝕刻方法、蝕刻形狀和深度、電極材料和形狀、元件尺寸和形狀等。另外，作為 估計方法，可以在從晶片上分離芯片、在封裝上安裝芯片、使用環(huán) 氧樹脂或硅樹脂密封芯片以形成諸如市場上售賣的LED的元件步 驟之后執(zhí)行測量；然而，如在這種測量的情況，可以通過在晶片上 執(zhí)行的探測來執(zhí)行測量。
圖10是示出當?shù)讓拥腟i摻雜濃度為2xl018/cm3時獲得的本發(fā) 明實例的GaN基發(fā)光元件的I-V特性的示圖。
圖11是示出當?shù)讓拥腟i摻雜濃度為5xlO"/cm3時獲得的本發(fā) 明實例的GaN基發(fā)光元件的I-V特性的示圖。
圖12是示出當?shù)讓拥腟i摻雜濃度為1.3xlO,cn^時獲得的本 發(fā)明實例的GaN基發(fā)光元件的I-V特性的示圖。
圖10、圖11和圖12示出了室溫(300K)下?lián)诫s有Si的GaN 基半導體發(fā)光元件的I-V曲線，垂直軸表示漏電流值(A,電流)， 水平軸表示偏壓(V，電壓)。用于圖10、圖11和圖12所示測量 的GaN基半導體發(fā)光元件的結構與圖2所示的層結構相同，并且發(fā) 光元件的層的厚度與參照圖2所描述的厚度相同。
在圖10中， 一起示出了每個都摻雜有濃度為2xl0"/cm3的Si 的10個GaN基半導體發(fā)光元件的I-V曲線；在圖11中， 一起示出 了每個都摻雜有濃度為5xl018/cm3的Si的9個GaN基半導體發(fā)光 元件的I-V曲線；在圖12中， 一起示出了每個都摻雜有濃度為 1.3xl0"/cm3的Si的6個GaN基半導體發(fā)光元件的I-V曲線。
另夕卜，由于測量非常小的電流，所以在圖10、圖11和圖12中 所示的檢測界限等級依賴于各種環(huán)境因素，例如電磁波、熱噪聲、 震動和光；但是，檢測界限不依賴于測量采樣。
用于I-V曲線測量的GaN基發(fā)光元件的活性層的直徑為20 pm,并且其面積約為3xl0-6 cm2。從圖10、圖11和圖12所示的I-V 曲線看出，當讀耳又5 V的反向偏壓的平均漏電流并隨后除以上述活 性層面積時，對應于2xl018/cm3、 5xlO,cm3和1.3xl019/cm3的Si 摻雜濃度的漏電流密度分別近似為1.2xl0-4 A/cm2、 3.2xl0-6 A/cm2 和3.2x10—7A/cm2， 乂人而獲4尋圖1已經(jīng)示出的結果。
通過圖10、圖11和圖12所示的I-V曲線，應該了解，才艮據(jù)底 層14的Si 4參雜濃度，可以抑制漏電流。在等于普通2xl018/cm3的 Si摻雜濃度2.5倍的5xlO"/cm3的Si摻雜濃度下，可以觀察到漏電 流減小一個量級以上的明顯效果。另外，在1.3xl(T/cm3的更高Si 摻雜濃度下，漏電流減小至近似于該測量的檢測界限。在該檢測中， 由于7見察到漏電流與活性層面積之間近似正比的關系，并且各種形 狀可用于形成上述元件，所以為了通常的比較目的，將摻雜濃度和 通過將漏電流除以活性層面積所獲4f的漏電流密度之間的關系進 行繪圖，從而獲得圖l所示的結果。
圖1中的上述結果示出了比非專利文獻3(其中詳細研究了相 關InGaN基LED的漏電流)的圖2 ( a )所示的通過在300K下施 加5V的反向偏壓獲得的約2xl(T3 A/cm2小幾個量級的非常小的漏
電流密度。根據(jù)非專利文獻3，公開了生成濃度為4xl0"cm2的非常 大量的貫通位錯，其大約稍微少于10。/。形成V缺陷，從而影響漏電 流。由于位錯密度為比上述值d、一個數(shù)量級的5xl0Vcm2,所以圖1 所示的漏電流密度與位錯密度成正比地直接減小。
盡管在很多報道中公開了位錯密度和漏電流之間的相關性，但 當位《普密度i殳置為5xl0Vcm2且Si摻雜濃度i殳置為2xl0,cn^以上 時，非常有效地進一步減小了漏電流密度。然而，即使當如非專利 文獻3所公開的位錯密度很高和/或使用具有高位錯密度的晶體時， 由于作為主要摻雜效果的載流子濃度和遷移率不具有任何特定拐 點地:帔改變，相信才艮據(jù)本發(fā)明，通過調節(jié)底層14的Si摻雜濃度， 可有歲文i也減小漏電;充。
如在一般的物理課本中公開的一樣，PN結附近的高摻雜濃度 增大了PN結處的結電場。作為引起裝置劣化的主要原因，提到電 遷移，并估計大的結電場引起電遷移并生成漏電流。然而，在該實 例中，通過實際測量確-汄與上述估計相反的結果。另外，盡管可以 估計當n型雜質本身擴散時，PN結界面附近的高摻雜濃度起到漏 電流源的功能，但作為測量結果實際獲得了顯著減小的漏電流。
漏電流在應用中會引起各種問題；因此，如上所述，漏電流密 度需要減小至例如驅動電流密度(在市場上售賣的LED中，典型 為30 A/cm2,并且通常約為10-100 A/cm2)的2萬分之一以下
((0.5 ~5) mA/cm2以下的漏電流密度)，此外，為了獲得1:500 以上的對比率，優(yōu)選將漏電流抑制到驅動電流密度的千萬分之一
(10-7)以下((1~10) pA/cm2以下的漏電流密度)。通過圖l所 示的結果，應該了解，優(yōu)選的摻雜濃度為3xlO,cm3以上，更優(yōu)選 的摻雜濃度為8xl018/cm3以上。通常，在GaN或InGaN中可相對 容易地獲得直至3xlO,cn^的Si摻雜濃度；然而，當Si摻雜濃度
大于3xl019/cm3時，結晶性嚴重劣化，因此，不能容易地執(zhí)行Si 摻雜。
作為通過摻雜濃度減小漏電流的主要原因，可以提及當在其中 包含高濃度Si時改變GaN或InGaN的結晶'l"生的i見象，以及作為另 一種可能性，也可以提及通過高濃度摻雜窄化了活性層附近的耗盡 層并減小了深缺陷等級數(shù)的現(xiàn)象。
圖2所示的AlGaN: Mg層18可具有超點陣結構。盡管在具有 大量位錯的藍寶石基板上生長的期間內漏電流的減小效果特別顯 著，但是也可以期待在具有低位錯密度的GaN基板上實現(xiàn)上述相同 的效果。此外，當許多發(fā)光元件并聯(lián)(某些串連)時，可有效地獲 得反向偏壓施加期間內漏電流的減小，并且對于顯示應用，優(yōu)選使 用至少10萬個像素，并且在全配置高保真電視(像素數(shù)1920x 1080)的情況下，使用至少一百萬個像素是最有效的。
如在非專利文獻3中所/>開的，漏電流與活性層面積(結面積) 成正比，當沒有改變發(fā)光元件面積時，可通過增加活性層面積獲得 更高的發(fā)光效率；然而，由于活性層面積與漏電流成正比，所以其 在漏電流方面存在劣勢。但是，當如在本發(fā)明的實施例中一樣控制 底層的Si摻雜濃度時，通過增大活性層的面積，可同時獲得高發(fā)光 效率和低漏電流；因此，實際效果是顯著的。
另外，當使用LED形成裝置時，可以才是及在頂面和底面的其 中一個上形成p和n電極的方法以及通過剝離藍寶石基板等或通過 寸吏用導電基外反在頂面和底面上形成電才及的方法。例力n，當在一個側 面上形成p和n電極時，可以使用半透明p型電極或使用反射電極 的倒裝芯片型。在這兩種情況下，通過大的活性層面積，減小驅動 電流密度，并且可以期待高發(fā)光效率；但是，隨著活性層面積的增 加，漏電流增大，并引起問題。
另外，在通過使用導電基板或通過剝離藍寶石基板等在頂面和 底面上形成電極的方法中，不需要通過蝕刻研磨活性層來形成一個 電極，并且?guī)缀跽麄€芯片表面都能用作活性層(結面積)。通過該 方法，由于即使其外圍尺寸與其它類型的芯片相同也能確保更大的
活性層面積，所以可以簡化處理，同時，可獲得高效率；但是，也 會引起與上述類似的問題。然而，當如本發(fā)明實施例一樣控制底層 的Si摻雜濃度時，通過增大活性層的面積，可同時獲得高發(fā)光效率 和寸氐漏電流，因此，實際效果顯著。由于不在同一表面上形成p側 和n側電極而是形成在頂面和底面上，所以即使在小型化的LED 中，p側和n側電極也不易于彼此接觸，并且容易4皮此絕緣，因此， 可以以高密度安裝每個都具有100 pm正方形尺寸或具有100 ium直 徑的非常小的LED。
因此，如已經(jīng)描述的，在根據(jù)本發(fā)明實施例的發(fā)光元件(發(fā)光 二極管或激光二極管)中，可以抑制施加反向偏壓時生成的漏電流， 可以抑制由無意識的電流引起的電路故障和功耗的增加，并且可以
解決當連接并控制多個發(fā)光元件時所產(chǎn)生的諸如干擾的問題。過 去，眾所周知，當使用具有低位錯密度的基板(諸如散裝GaN基板 或通過使用選擇性生長在藍寶石基板橫向生長所形成的基板)時， 漏電流減??；但是，根據(jù)本發(fā)明，不使用特定基板，就可以實現(xiàn)成 本降低。
通常，pn結元件被用作光接收元件以及發(fā)光元件，并且在活性 層G者如量子阱、單異質、或雙異質層)中^^收光，以通過光電效 應生成電流。在上述光4妻收元件的情況下，稱作暗電流的漏電流產(chǎn) 生背景噪聲，因此，S/N率劣化。即使為了增大光接收敏感度而施 加電場，但是當暗電流也由此增大時，不能改善S/N率。根據(jù)本發(fā) 明實施例的GaN基半導體光接收元件，由于可以減小暗電流，所以 可以改善S/N率。
迄今為止，已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例；但是，本發(fā)明不限于 上述實施例，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進 4亍各種改變和<務改。
例如，才艮據(jù)使用的GaN基半導體元件的應用，可以適當改變 底層中所摻雜的Si濃度，以獲得期望的漏電流密度。另外，除形成 GaN基半導體元件的各層的結構、厚度、尺寸等之外，也可以根據(jù)
權利要求
1.一種氮化鎵基半導體元件，包括第一GaN基化合物層，包括n型導電層；第二GaN基化合物層，包括p型導電層；以及活性層，設置在所述第一GaN基化合物層和所述第二GaN基化合物層之間，其中，所述第一GaN基化合物層包括具有n型雜質濃度在3×1018/cm3～3×1019/cm3范圍內的底層，并且當施加5V的反向偏壓時，作為流過所述活性層每單位面積的電流的密度的漏電流密度為2×10-5A/cm2以下。
2. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述底層 的n型雜質濃度為4xl018/cm3以上，并且所述漏電流密度為 8xl0-6 A/cm2以下。
3. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述底層 的n型雜質濃度為8xl018/cm3以上，并且所述漏電流密度為 lxl(T6 A/cm2以下。
4. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述底層 的n型雜質濃度為lxl019/cm3以上，并且所述漏電流密度為 6xl0-7 A/cm2以下。
5. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述底層 和所述活性層的每一個都包括含有In的GaN基化合物，形成 所述底層的GaN基化合物的In組分率為0.005以上，并低于 形成所述活性層的GaN基化合物的In組分率。
6. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述底層 具有5 nm ~ 5 范圍內的厚度。
7. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述底層 具有20 nm ~ 1 |am范圍內的厚度。
8. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述第二 GaN基化合物層包括摻雜有p型雜質并具有100 nm以上的厚 度的GaN層。
9. 根據(jù)權利要求1所述的氮化鎵基半導體元件，其中，所述氮化 鎵基半導體元件為發(fā)光元件。
10. —種光學裝置，包括多個氮化鎵基半導體元件，以二維矩陣的形式進行配置， 每一個氮化鎵基半導體元件都是根據(jù)權利要求1 ~9中任一項 所述的氮化鎵基半導體元件，其中，沿第一方向上的各行設置的氮化鎵基半導體元件 的第一電極連接至所述第一方向上各行的公共配線，以及沿第二方向上的各行設置的氮化鎵基半導體元件的第二 電極連接至所述第二方向上各行的公共配線。
11. 一種圖像顯示裝置，包括像素部，包括根據(jù)權利要求10所述的光學裝置， 其中，所述氮化鎵基半導體元件由被動矩陣驅動。
全文摘要
本發(fā)明提供了可以抑制在反向偏壓時間期間內所生成的漏電流的GaN基半導體元件、使用其的光學裝置以及使用光學裝置的圖像顯示裝置。該GaN基半導體元件具有第一GaN基化合物層，包括n型導電層；第二GaN基化合物層，包括p型導電層；以及活性層，設置在所述第一GaN基化合物層和所述第二GaN基化合物層之間。在該GaN基半導體元件中，第一GaN基化合物層包括具有在3×10¹⁸/cm³～3×10¹⁹/cm³范圍內的n型雜質濃度的底層，并且當施加5V的反向偏壓時，作為流過活性層每單位面積的電流的密度的漏電流密度為2×10^-5A/cm²以下。在本發(fā)明中，當施加反向偏壓時，由于漏電流的抑制，防止了性能由于色度亮度干擾引起的劣化，抑制了功耗的增加，可以防止電路故障，使得可維持穩(wěn)定且優(yōu)化的操作性能。
文檔編號G09F9/33GK101339970SQ20081012648
公開日2009年1月7日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權日2007年7月3日
發(fā)明者奧山浩之, 琵琶剛志, 西中逸平 申請人:索尼株式會社