专利名称：氮化镓基半导体发光装置、光照明器、图像显示器、平面光源装置和液晶显示组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及GaN基半导体发光装置、光照明器、图像显示器、平面光源装置和液晶显示组件，在每一个中都结合有该GaN基半导体发光装置。
背景技术：
在包括由氮化镓(GaN)基化合物半导体构成的有源层的发光装置(GaN基半导体发光装置)中，带隙能量可以通过改变合金组成或该有源层的厚度来控制，以实现从紫外线到红外线的大范围波长的光的发射。发射各种颜色光的GaN基半导体发光装置已经投入市场，并且用于广泛的应用，如图像显示装置、照明装置、诊断装置和消毒光源。此外，已经开发了蓝紫半导体激光器和发光二极管(LED)，并已经将其作为大容量光盘的读/写探头使用。
通常已知，在GaN基半导体发光装置中，发射波长随驱动电流的增加而向短波侧偏移。例如，已经报导当驱动电流从20mA增加到100mA时，发射波长在蓝光发射区域偏移-3nm和在绿光发射区域偏移-19nm(参见，例如，Nichia公司的产品说明书NSPB500S和产品说明书NSPG500S)。
由于驱动电流(工作电流)的增加而导致这样的发射波长偏移对于含有铟原子的GaN基化合物半导体所构成的有源层是一个共同的问题，该含有铟原子的GaN基化合物半导体具有可见光波长或更长波长。由于构成有源层的阱层中的铟原子导致的载流子局部化(参见，例如，Y.Kawakami，et al.，J.Phys.Condens.Matter 13(2001)，pp.6993)和由于点阵不匹配导致的内场效应(参见S.P.Chichibu，Materials Science and Engineering B59(1999)，pp.298)被认为与该问题有关。
此外，人们已经尝试控制这种GaN基半导体发光装置的发射波长。例如，日本未审查专利申请公开2002-237619号揭示了一种通过发光二极管来控制彩色光发射的方法，其中通过向发光二极管提供具有多个峰值电流的脉冲电流来发射多种彩色光，在该发光二极管中通过改变电流值来改变发射波长。通过发光二极管来控制彩色光发射的方法由于使用单发射源从而能够减小体积，并且能够容易地控制发光颜色。
例如，日本未审查专利申请公开2002-22052号揭示了一种发光装置驱动电路，其同时驱动多个待驱动的发光装置。该发光装置驱动电路包括发射波长校正机构和发射亮度校正机构，发射波长校正机构用于通过控制向发光装置提供电流校正多个发光装置之间发射波长的变化，发射亮度校正机构用于校正多个发光装置之间发射亮度的变化。即使在发光装置由于其制造上的变化而难于均匀发射的情况下，该光装置驱动电路也能够有效地校正发光装置之间的变化。
在GaN基半导体发光装置中，已经提出各种技术来提高具有包括阱层和势垒层的多量子阱结构的有源层的效率。例如，日文翻译的PCT专利申请公开2003-520453号揭示了一种半导体发光装置，其中在具有包括至少两个发光有源层和至少一个势垒层的多量子阱结构的有源层中，该发光有源层或势垒层都受到啁啾调制(chirping)。术语“啁啾调制”表示多个相同层形成为使得其厚度和/或组成不均匀或不对称。在这种情况下，可以增加多量子阱结构的LED中每个阱层的光输出或光产生效率。
更具体地讲，在该专利申请公开的第 段中，在第一实例中揭示了，LED30的有源层48至56被啁啾调制，使得在有源区36内有源层48、50、52、54和56分别具有厚度200、300、400、500和600埃。而且，在该专利申请公开的第 段，其在第三实例中揭示了，势垒层58至64被啁啾调制，使得厚度在约10埃至500埃之间，而且接近n型下密封层34的势垒层厚于远离该n型下密封层34的势垒层的厚度。
专利文献1日本未审查专利申请公开2002-237619号专利文献2日本未审查专利申请公开2002-22052号专利文献3日文翻译的PCT专利申请公开2003-520453号非专利文献1Nichia公司的产品说明书NSPB500S非专利文献2Nichia公司的产品说明书NSPG500S非专利文献3Y.Kawakami，et al.，J.Phys.Condens.Matter 13(2001)，pp.6993非专利文献4S.P.Chichibu，Materials science and engineering B59(1999)，pp.298
非专利文献5Nikkei Electronics，December 20，2004，No.889，p.128发明内容一种提高GaN基半导体发光装置光输出的可能方法包括使用大驱动电流(工作电流)来驱动(操作)该GaN基半导体发光装置。但是，如上所述，使用这种方法由于增加驱动电流(工作电流)而导致发射波长偏移的问题。因此，在根据工作电流密度导致发射波长较大变化的传统GaN基半导体发光装置中，通常使用一种系统，其中工作电流的脉冲宽度(或脉冲密度)在恒定工作电流密度下改变，从而使得发光的颜色在亮度变化时无变化。
例如，在图像显示器中，其中具有蓝光发射波长的GaN基半导体发光装置(发光二极管)、具有绿光发射波长的GaN基半导体发光装置(发光二极管)和具有红光发射波长的AlInGaP基化合物半导体发光二极管对应各子像素设置，由于每个发光二极管的发射波长的偏移，在显示图像中可能出现粗糙。在这样的图像显示装置中，在各像素之间控制色度坐标和亮度。但是，如上所述，当每个发光装置的发射波长移向不同于所希望的发射波长时，存在控制后的色彩空间变窄的问题。
而且，在包括GaN基半导体发光装置和色彩转换材料的发光装置(例如，通过结合紫外或蓝色发光二极管和荧光粒子的发光装置)中，当GaN基半导体发光装置的驱动电流(工作电流)增加以增加该发光装置的亮度(发光度)时，由于激活该色彩转换材料的GaN基半导体发光装置的的发射波长的偏移，该色彩转换材料激发效率可能改变，进而造成色度改变和难以获得均匀色彩的发光装置。
另外，已经提出了具有使用GaN基半导体发光装置的背光的液晶显示器。但是，在这种液晶显示器中，当GaN基半导体发光装置为增加该背光亮度(发光度)而增加驱动电流(工作电流)时，该GaN基半导体发光装置发射波长的偏移可能造成颜色空间变窄或改变的问题。
为了实现使用GaN基半导体发光装置的发光装置、背光或显示器的成本降低或密度增加(提高清晰度)，有必要进一步减小发光装置的尺寸，其传统尺寸为300平方μm或1平方mm。但是，在此情况下，对于相同的工作电流，增加了工作电流密度，因此造成高工作电流密度下发射波长的偏移的问题。而且，包括发光微型装置阵列的显示装置可以作为GaN基半导体发光装置应用。但是，在这种发光微型装置中，从应用到显示装置的角度看，降低发射波长的偏移是重要的。
上述的专利申请公开只揭示了逐步改变势垒层组成的计算实例，但是没有具体揭示非称性和效果。而且，上述专利申请公开或文献没有揭示抑制工作电流密度的增加所导致的发射波长较大偏移的技术。
因此，本发明的目标之一是提供GaN基半导体发光装置，该GaN基半导体发光装置具有能够抑制由于工作电流密度的增加所导致的发射波长较大偏移并且能够在较大范围内控制亮度的结构，以及提供光照明器、图像显示器、平面光源装置和液晶显示组件，其中每一个都含有该GaN基半导体发光装置。
为实现该目标，根据本发明的GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
为实现该目标，本发明的光照明器包括GaN基半导体发光装置和颜色转换材料，其中从GaN基半导体发光装置发出的光入射到该颜色转换材料上，而且该颜色转换材料发射光的波长不同于该GaN基半导体发光装置发射光的波长，该GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
在本发明的光照明器中，从GaN基半导体发光装置发出的光可以是可见光、紫外线或可见光和紫外线的组合。
在本发明的光照明器中，从GaN基半导体发光装置发出的光可以是蓝光，而且从颜色转换材料发出的光可以是从包括黄光、绿光和红光的组中选出的至少一种类型的光。被GaN基半导体发光装置发射的蓝光所激发而发射红光的颜色转换材料的具体实例包括红光发射荧光粒子，而且更具体地为(ME:Eu)S(其中ME以下代表从由Ca、Sr和Ba构成的组中选出的至少一种原子)、(M:Sm)x(Si，Al)12(O，N)16(其中M以下代表从由Li、Mg和Ca构成的组中选出的至少一种原子)、ME2Si5N8:Eu、(Ca:Eu)SiN2和(Ca:Eu)AlSiN3。被GaN基半导体发光装置发射的蓝光所激发而发射绿光的颜色转换材料的具体实例包括绿光发射荧光粒子，而且更具体地为(ME:Eu)Ga2S4、(M:RE)x(Si，Al)12(O，N)16(其中RE代表Tb和Yb)、(M:Tb)x(Si，Al)12(O，N)16、(M:Yb)x(Si，Al)12(O，N)16和Si6-zAlzOzN8-z:Eu。被GaN基半导体发光装置发射的蓝光所激发而发射黄光的颜色转换材料的具体实例包括黄光发射荧光粒子，而且更具体地为YAG(钇铝石榴石)荧光粒子。这些颜色转换材料可以单独使用或多种混合使用。当使用两种或更多颜色转换材料的混合物时，颜色转换材料混合物可以发射黄、绿和红光以外颜色的光。具体地讲，例如，可以发射青色的光。在此情况下，可以使用绿光发射荧光粒子(例如，LaPO4:Ce、Tb、BaMgAl10O17:Eu、Mn、Zn2SiO4:Mn、MgAl11O19:Ce、Tb、Y2SiO5:Ce、Tb、MgAl11O19:CE、Tb或Mn)和蓝光发射荧光粒子(例如，BaMgAl10O17:Eu、BaMg2Al16O27:Eu、Sr2P2O7:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、(Sr，Ca，Ba，Mg)5(PO4)3Cl:Eu、CaWO4或CaWO4:Pb)的混合物。
当GaN基半导体发光装置所发射的光为紫外线时，发射波长由于工作电流密度的增加而很小偏移，但是可以期待通过具体的阱层密度来改善发光的效率和降低阈值电流。在此情况下，被GaN基半导体发光装置发射的紫外线所激发而发射红光的颜色转换材料的具体实例包括红光发射荧光粒子，而且更具体地为Y2O3:Eu、YVO4:Eu、Y(P，V)O4:Eu、3.5MgO0.5MgF2Ge2:Mn、CaSiO3:Pb、Mn、Mg6AsO11:Mn、(Sr，Mg)3(PO4)3:Sn、La2O2S:Eu和Y2O2S:Eu。被GaN基半导体发光装置发射的紫外线所激发而发射绿光的颜色转换材料的具体实例包括绿光发射荧光粒子，而且更具体地为LaPO4:Ce、Tb、BaMgAl10O17:Eu、Mn、Zn2SiO4:Mn、MgAl11O19:Ce、Tb、Y2SiO5:Ce、Tb、MgAl11O19:Ce、Tb、Mn和Si6-zAlzOzN8-z:Eu。被GaN基半导体发光装置发射的紫外线所激发而发射蓝光的颜色转换材料的具体实例包括蓝光发射荧光粒子，而且更具体地为BaMgAl10O17:Eu、BaMg2Al16O27:Eu、Sr2P2O7:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、(Sr，Ca，Ba，Mg)5(PO4)3Cl:Eu、CaWO4和CaWO4:Pb。被GaN基半导体发光装置发射的紫外线所激发而发射黄光的颜色转换材料的具体实例包括黄光发射荧光粒子，而且更具体地为YAG荧光粒子。这些颜色转换材料可以单独使用或者可以以两种或更多的混合物使用。当使用两种或更多颜色转换材料的混合物时，颜色转换材料混合物可以发射黄、绿和红光以外颜色的光。具体地讲，例如，可以发射青色的光。在此情况下，可以使用上述的绿光发射荧光粒子和蓝光发射荧光粒子的混合物。
该颜色转换材料不限于荧光粒子，而且可以使用利用量子效应的多色高效发光粒子，例如纳米级CdSe/ZnS和纳米级硅。已知加入到半导体材料的稀土原子由于核内迁移发射明显的光，而且也可使用利用该技术的发光粒子。
在根据本发明的包括上述优选成分的光照明器中，可以通过混合GaN基半导体发光装置发射的光与颜色转换材料发射的光(例如，黄，红和绿；黄和红；或绿，黄，和红)来发射白光。但是，本发明不限于此，并且可以应用于可变色照明器和显示器。
为实现该目标，根据本发明第一实施例的用以显示图像的图像显示装置包括GaN基半导体发光装置，该GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
根据本发明第一实施例的图像显示装置的实例包括具有以下描述的构造和结构的图像显示装置。除另外说明外，构成图像显示装置或发光装置板的GaN基半导体发光装置的数量可以根据该图像显示装置需要的规格来决定。而且，根据该图像显示装置需要的规格还可以提供光阀。
(1)根据实施例1A的图像显示装置无源矩阵型或有源矩阵型、直观型图像显示装置，包括
(α)包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置的发光装置板；其中每个GaN基半导体发光装置的发射状态可以通过控制每个GaN基半导体发光装置的发射/非发射状态被直接观察以显示图像。
(2)根据实施例1B的图像显示装置无源矩阵型或有源矩阵型、投影型图像显示装置，包括(α)包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置的发光装置板；其中控制每个GaN基半导体发光装置的发射/非发射状态以通过投影在屏幕上显示图像。
(3)根据实施例1C的图像显示装置彩色显示图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)包括设置为二维矩阵的发射红光的半导体发光装置(例如，AlGaInP基半导体发光装置或GaN基半导体发光装置)的红色发光装置板；(β)包括设置为二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光装置的绿色发光装置板；(γ)包括设置为二维矩阵的发射蓝光的GaN基半导体发光装置的蓝色发光装置板；和(δ)在光路中聚集从红色发光装置板、绿色发光装置板和蓝色发光装置板中发射光的装置(例如，二向色棱镜，其应用于下面的描述)；其中控制发射红光的半导体发光装置、发射绿光的半导体发光装置和发射蓝光的半导体发光装置每一个的发射/非发射状态。
(4)根据实施例1D的图像显示装置图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)GaN基半导体发光装置；和(β)作为用以控制GaN基半导体发光装置发射光的传输/非传输的光阀的光传输控制器(例如，液晶显示器、数字微镜装置(DMD)或LCOS(硅上液晶)，其应用于下面的描述)；其中通过光传输控制器来控制GaN基半导体发光装置发射光的传输/非传输以显示图像。GaN基半导体发光装置的数量可以根据该图像显示装置的需要的规格来决定，而且可以是1个或多个。此外，引导GaN基半导体发光装置的发射光到光传输控制器的装置(导光构件)的实例包括导光构件、微透镜阵列、晶面和反射片、聚光透镜。
(5)根据实施例1E的图像显示装置图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置的发光装置板；和(β)控制GaN基半导体发光装置发射光的传输/非传输的光传输控制器(光阀)；其中通过光传输控制器来控制GaN基半导体发光装置发射光的传输/非传输以显示图像。
(6)根据实施例1F的图像显示装置彩色图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)包括设置为二维矩阵的发射红光的半导体发光装置(例如，AlGaInP基半导体发光装置或GaN基半导体发光装置)的红色发光装置板，以及控制从该红色发光装置板发射的光的传输/非传输的红光传输控制器(光阀)；(β)包括设置为二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光装置的绿色发光装置板，以及控制从该绿色发光装置板发射的光的传输/非传输的绿光传输控制器(光阀)；(γ)包括设置为二维矩阵的蓝色发光GaN基半导体发光装置的蓝色发光装置板，以及控制从该蓝色发光装置板发射的光的传输/非传输的蓝光传输控制器(光阀)；(δ)在光路中通过聚集红光传输控制器、绿光传输控制器和蓝光传输控制器传输的光的装置；其中通过对应的光传输控制器来控制从每个发光装置板发射的光的传输/非传输以显示图像。
(7)根据实施例1G的图像显示装置场序系统、彩色图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)发射红光的半导体发光装置；(β)发射绿光的GaN基半导体发光装置；(γ)发射蓝光的GaN基半导体发光装置；(δ)在光路中聚集从发射红光的半导体发光装置、发射绿光的GaN基半导体发光装置和发射蓝光的GaN基半导体发光装置中发射的光的装置；和(ε)在光路中控制从聚集光的装置中发射的光的传输/非传输的光传输控制器(光阀)；其中通过光传输控制器来控制从每个发光装置中发射的光的传输/非传输以显示图像。
(8)根据实施例1H的图像显示装置场序系统、彩色图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)包括设置为二维矩阵的发射红光的半导体发光装置的红色发光装置板；(β)包括设置为二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光装置的绿色发光装置板；(γ)包括设置为二维矩阵的发射蓝光的GaN基半导体发光装置的蓝色发光装置板；(δ)在光路中聚集从红色发光装置板，绿色发光装置板和蓝色发光装置板中发射光的装置；和(ε)在光路中控制从聚集光的装置中发射的光的传输/非传输的光传输控制器(光阀)；其中通过光传输控制器来控制从每个发光装置板中发射的光的传输/非传输以显示图像。
为实现该目标，根据本发明第二实施例的图像显示装置包括用以显示彩色图像的发光装置单元，该发光装置单元设置为二维矩阵而且每一个包括发射蓝光的第一发光装置、发射绿光的第二发光装置和发射红光的第三发光装置，构成该第一发光装置、第二发光装置和第三发光装置中至少一个的GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在有源层中第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
根据本发明第二实施例的图像显示装置的实例包括具有以下描述的构造和结构的图像显示装置。除另外说明外，构成发光装置单元的数量可以基于该图像显示装置的所需要的规格来决定。另外，基于该图像显示装置的需要的规格还可以提供光阀。
(1)根据实施例2A的图像显示装置无源矩阵型或有源矩阵型、直观彩色图像显示装置，其中控制第一、第二和第三发光装置中的每一个的发射/非发射状态，以直接观察每个发光装置的发射状态并显示图像。
(2)根据实施例2B的图像显示装置无源矩阵型或有源矩阵型、投影彩色图像显示装置，其中控制第一、第二和第三发光装置中的每一个的发射/非发射状态，以通过投影在屏幕上显示图像。
(3)根据实施例2C的图像显示装置场序系统，彩色图像显示装置(直观型或投影型)，其包括控制设置为二维矩阵的发光单元发射中每个发射的光的传输/非传输的光传输控制器(光阀)，其中该发光装置单元中第一、第二和第三发光装置中每个的发射/非发射状态是分时控制的，而且该第一、第二和第三发光装置中的每一个传输/非传输由光传输控制器控制以显示图像。
为实现该目标，用于照射透射式或透反式液晶显示装置的背部的本发明的平面光源装置包括作为光源提供的GaN基半导体发光装置，该GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
为实现该目标，本发明的液晶显示组件包括透射式或透反式液晶显示装置和用于照射该液晶显示装置的背部的平面光源装置，作为该平面光源装置中的光源所提供的GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
在本发明的平面光源装置或本发明的液晶显示组件的平面光源装置中，光源可以包括发射蓝光的第一发光装置、发射绿光的第二发光装置和发射红光的第三发光装置，而且GaN基半导体发光装置构成该第一发光装置、第二发光装置和第三发光装置中的至少一个(一种类型)。但是，该光源不限于此，而且平面光源装置中的光源可以包括至少一个本发明的发光装置。该第一发光装置、第二发光装置和第三发光装置中的每一个都可以单独或多个的形式提供。
在根据本发明第二实施例的图像显示装置，本发明的平面光源装置或本发明的液晶显示组件中，当该光源包括第一发光装置、第二发光装置和第三发光装置时，该GaN基半导体发光装置构成该第一发光装置、第二发光装置和第三发光装置中的至少一个(一种类型)。换言之，该第一、第二和第三发光装置中的任何一个(一种类型)可以包括该GaN基半导体发光装置，而剩下的两种类型的发光装置可以包括其他构造的半导体发光装置。该第一、第二和第三发光装置中的任何两种类型可以包括GaN基半导体发光装置，而剩下的一种类型发光装置可以包括其他构造的半导体发光装置。该第一、第二和第三发光装置中全部类型可以包括GaN基半导体发光装置。其他构造的半导体发光装置包括发射红光的AlGaInP基半导体发光装置。
本发明的平面光源装置或本发明的液晶显示组件中的平面光源装置可以包括两种类型的平面光源装置(背光)，即，例如，揭示在日本未审查的实用新型注册申请公开63-187120号中和日本未审查专利申请公开2002-277870号中的直接发光型平面光源装置，以及揭示在例如日本未审查专利申请公开2002-131552号中的边缘光型(又称为“侧光型”)平面光源装置。GaN基半导体发光装置的数量基本上是任意的，而且可以基于平面光源装置的所要求的规格决定。
在直接发光型平面光源装置中，第一、第二和第三发光装置与液晶显示装置相对，而且在液晶显示装置与第一、第二和第三发光装置之间设置有散射板、散射片、棱镜片、例如偏转转换片的光学功能片组、或反射片。
更具体地讲，在直接发光型平面光源装置中，发射红光(例如波长640nm)的半导体发光装置、发射绿光(例如波长530nm)的GaN基半导体发光装置和发射蓝光(例如波长450nm)的GaN基半导体发光装置可以布置在一个壳体中。但是，平面光源装置不限于此。当多个发射红光的半导体发光装置、多个发射绿光的GaN基半导体发光装置和多个发射蓝光的GaN基半导体发光装置设置在一个壳体中时，设置这些发光装置的一个实例为这样的布置，其中每个包括一组发射红光的半导体发光装置、发射绿光的GaN基半导体发光装置和发射蓝光的GaN基半导体发光装置的多个发光装置在液晶显示装置屏幕的水平方向上排列以形成发光装置线阵，而且多个该发光装置线阵排列在液晶显示装置的竖直方向上。该发光装置线的实例包括若干种组合，例如(一个发射红光的半导体发光装置、一多个发射绿光的GaN基半导体发光装置和一个发射蓝光的GaN基半导体发光装置)；(一个发射红光的半导体发光装置、二个发射绿光的GaN基半导体发光装置和一个发射蓝光的GaN基半导体发光装置)；(两个发射红光的半导体发光装置、两多个发射绿光的GaN基半导体发光装置和一个发射蓝光的GaN基半导体发光装置)。而且，还可以提供发射除红、绿和蓝之外的第四中颜色光的发光装置。GaN基半导体发光装置可以提供在Nikkei Electronics，December 20，2004，No.889，p.128中描述的光提取透镜。
另一方面，在边缘光型平面光源装置中，光导板与液晶显示装置相对，而且GaN基半导体发光装置设置在光导板的侧边(以下描述为第一侧面)。该光导板具有第一表面(底部)、与第一表面相对的第二表面(顶部)、第一侧面、第二侧面、与第一侧面相对的第三侧面和与第二侧面相对的第四侧面。该光导板形状的具体实例是总体上为楔形的截头四棱柱形。在此情况下，该截头四棱柱的两个相对面对应于第一和第二表面，而截头四棱柱形的底部对应于第一侧面。另外，优选地在第一表面(底部)上提供突起和/或凹槽。在此情况中，光入射到该光导板的第一侧面，而且光从第二表面(顶部)射向液晶显示装置。该光导板的第二表面可以是平滑的(即，镜面)或者可以提供有散射作用的褶皱(blast crimps)(即，细的不规则表面)。
另外，优选地在光导板的第一表面(底部)上提供有突起和/或凹槽。即优选地在第一表面(底部)上提供突起、凹槽或不平整度。当提供了不平整度时，凹槽和突起可以是连续的或是不连续的。提供在光导板的第一表面(底部)上的突起和/或凹槽可以包括在相对于光导板的入射方向成预定角度的方向上延伸的连续突起和/或凹槽。在该结构中，光导板的连续突起和/或凹槽沿垂直于该光导板入射方向上第一表面的虚拟平面的截面形状的实例包括三角形；包括正方形、矩形和梯形的希望的四边形；希望的多边形；和希望的平滑曲线包括圆、椭圆、抛物线、双曲线和悬垂线。相对于光导板入射方向成预定角度的方向指相对光导板入射的0°为60°至120°的方向。这将应用于下面的描述。或者，提供在光导板第一表面上的突起和/或凹槽可以包括在相对光导板入射方向成预定角度的方向上延伸的不连续的突起和/或凹槽。该不连续的突起和/或凹槽的形状的实例包括锥形、圆锥形、圆柱形、例如三棱柱和正方形棱柱的多棱柱、和如球的一部分、回转椭圆的一部分、旋转抛物线的一部分和旋转双曲线的一部分的各种平滑曲线表面。在该光导板中，根据具体环境该突起或凹槽可以不形成在第一表面的周边。而且，从光源发出并入射到该光导板上的光由于与该光导板第一表面上的突起或凹槽的碰撞而散射。但是，该光导板第一表面上提供的该突起或凹槽的高度、深度、俯仰角(pitch)或形状可以制成恒定或远离光源而改变。在后者的情况中，例如，突起或凹槽的俯仰角可以随远离光源而减小。突起或凹槽的俯仰角指突起或凹槽沿光导板的入射方向的俯仰角。
在提供有光导板的平面光源装置中，反射元件优选地与光导板的第一表面相对设置。液晶显示装置设置成与光导板的第二表面相对。从光源发射的光入射到该光导板的第一侧面(例如，对应于截头四棱锥的底部)，由于与第一表面的突起或凹槽碰撞而散射，从第一表面发射，经反射元件反射，再次入射到第一表面，并从第二表面发射以照射到液晶显示装置上。例如，散射片或棱镜片可以设置在液晶显示装置和光导板的第二表面之间。从光源发出的光可以直接导引向光导板或间接导引向光导板。在后者情况中，例如，可以使用光纤。
该光导板优选地采用很少吸收从光源发出的光的材料形成。构成该光导板的材料的实例包括玻璃和塑料材料(例如PMMA、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、非晶态聚丙烯树脂和包括AS树脂的苯乙烯树脂)。
例如，透射彩色液晶显示装置包括带有透明第一电极的前板、带有透明第二电极的后板和设置在该前板和后板之间的液晶材料。
更具体地讲，前板包括例如包括玻璃衬底或硅衬底的第一衬底、提供在第一衬底的内表面的透明第一电极(也称为“公共电极”，并且由ITO构成)和提供在第一衬底外表面的偏振膜。该前板还包括提供在第一衬底内表面并覆盖有由丙烯酸树脂或环氧树脂构成的保护层的滤色器，透明第一电极形成在该保护层上。而且，取向膜形成在透明第一电极上。滤色器的排列图案的实例包括三角形(delta)排列、条纹排列、对角排列和矩形排列。另一方面，更具体地讲，后板包括包括玻璃衬底或硅衬底的第二衬底和提供在第二衬底内表面上的开关元件和透明第二电极(也称为“像素电极”，并且由ITO构成)，以及提供在第一衬底外表面上的偏振膜，由此该开关元件控制该透明第二电极的导通/非导通。而且，取向膜形成在包括透明第二电极的整个表面上。构成该透射彩色液晶显示装置的构件和液晶材料可以是已知的构件和材料。开关元件的实例包括形成在单晶硅半导体衬底上例如MOS型FET和薄膜晶体管(TFT)的三端元件，以及例如MIM元件、可变电阻元件和二极管的两端元件。
在本发明的GaN基半导体发光装置中，根据本发明第一或第二实施例的发光装置、图像显示装置、本发明的具有上述优选形式和结构(这些可以统称为下面的本发明)的平面光源装置或液晶显示组件，优选地满足以下关系500(nm)≤λ2≤550(nm)0≤|λ2-λ3|≤5(nm)其中λ2(nm)是工作电流密度为30A/cm2时有源层的发射波长，而λ3(nm)是工作电流密度为300A/cm2时有源层的发射波长。作为选择，优选地满足以下关系500(nm)≤λ2≤550(nm)0≤|λ1-λ2|≤10(nm)0≤|λ2-λ3|≤5(nm)其中λ1(nm)是工作电流密度为1A/cm2时有源层的发射波长，λ2(nm)是工作电流密度为30A/cm2时有源层的发射波长，而λ3(nm)是工作电流密度为300A/cm2时有源层的发射波长。
作为选择，在具有上述优选结构的本发明中，优选地满足以下关系430(nm)≤λ2≤480(nm)
0≤|λ2-λ3|≤2(nm)其中λ2(nm)是工作电流密度为30A/cm2时有源层的发射波长，而λ3(nm)是工作电流密度为300A/cm2时有源层的发射波长。作为选择，优选地满足以下关系430(nm)≤λ2≤480(nm)0≤|λ1-λ2|≤5(nm)0≤|λ2-λ3|≤2(nm)其中λ1(nm)是工作电流密度为1A/cm2时有源层的发射波长，λ2(nm)是工作电流密度为30A/cm2时有源层的发射波长，而λ3(nm)是工作电流密度为300A/cm2时有源层的发射波长。
在半导体发光装置中，发射波长通常由于特性测量中产生热量或温度变化而改变。因此，在本发明中，要考虑室温(25℃)下的特性。当GaN基半导体发光装置产生少量的热量时，直流电流驱动没有问题出现。但是，当产生大量的热量时，有必要采取例如脉冲电流驱动的测量方法，其中GaN基半导体发光装置的温度相对室温无明显变化。
对于发射波长，要考虑光谱中功率峰值的波长。不采用在考虑人的视觉性能的光谱或通常用以表示颜色的主要波长。而且，从有源层发射的光由于薄膜干涉而多次反射，由此造成的具有明显周期变化的光谱根据测量条件可以被观察到。因此，使用有源层产生的并且不包含这种周期变化的光谱。
GaN基半导体发光装置的工作电流密度是将工作电流除以有源层面积(结区域面积)得到的值。即商业上可得到的GaN基半导体发光装置根据应用和发光量具有各种封装形式和不同尺寸。另外，标准驱动电流(工作电流)根据GaN基半导体发光装置的尺寸而变化。因此，难于直接比较特性的电流相关性。在本发明中，为了概括的目的，没有使用驱动电流，而是使用了将驱动电流除以有源层面积(结区域面积)得到的“工作电流密度”的表述。
在本发明中，为了改变阱层的密度，优选地改变势垒层的厚度(具体地讲，在有源层中，第二GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度小于第一GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度)，而阱层厚度是恒定的。但是，本发明不限于此。可以在势垒层的厚度恒定时改变阱层的厚度(具体地讲，在有源层中，第二GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度大于第一GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度)，或者可以改变阱层和势垒层两者的厚度。
在本发明中，阱层密度d1和阱层密度d2定义如下当有源层的总厚度t0在厚度的方向上分为两部分时，在第一GaN基化合物半导体层侧的有源层第一区域AR1的厚度用t1表示，而在第二GaN基化合物半导体层侧的有源层第二区域AR2的厚度用t2表示(t0＝t1+t2)。此外，包含在有源层第一区域AR1中的阱层数用WL1(正数并且不限于整数)表示，而包含在有源层第二区域AR2中的阱层数用WL2(正数并且不限于整数，而且阱层总数WL＝WL1+WL2)表示。当阱层(厚度tIF)存在于有源层第一区域AR1和有源层第二区域AR2上时，仅包含在有源层第一区域AR1中的阱层数量用WL1’表示，而仅包含在有源层第二区域AR2中的阱层数量用WL2’表示，而且在存在于有源层第一区域AR1和有源层第二区域AR2上的阱层(厚度tIF)中，包含在有源层第一区域AR1中的厚度用tIF-1表示，而包含在有源层第二区域AR2中的厚度用tIF-2(tIF＝tIF-1+tIF-2)表示。在此情况中，建立以下等式WL1＝WL’1+ΔWL1WL2＝WL’2+ΔWL2其中ΔWL1+ΔWL2＝1WL＝WL1+WL2＝WL’1+WL’2+1ΔWL1＝tIF-1/tIFΔWL2＝tIF-2/tIF阱层密度d1和阱层密度d2可以由下面的等式(1-1)和(1-2)确定，其中k≡(t0/WL)d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝k(WL1/t1)(1-1)d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝k(WL2/t2)(1-2)在本发明中，当有源层的总厚度是t0时，有源层第一区域AR1中从第一GaN基化合物半导体层侧界面到有源层(2t0/3)厚度范围内的阱层密度是d1，而有源层第二区域AR2中从第二GaN基化合物半导体层侧界面到有源层(t0/3)厚度范围内的阱层密度是d2，阱层可以设置在有源层中以满足关系d1＜d2。作为选择，当有源层的总厚度是t0时，有源层第一区域AR1中从第一GaN基化合物半导体层侧界面到有源层(t0/2)厚度范围内的阱层密度是d1，而有源层第二区域AR2中从第二GaN基化合物半导体层侧界面到有源层(t0/2)厚度范围内的阱层密度是d2，阱层可以设置在有源层中以满足关系d1＜d2。作为选择，当有源层的总厚度是t0时，有源层第一区域AR1中从第一GaN基化合物半导体层侧界面到有源层(t0/3)厚度范围内的阱层密度是d1，而有源层第二区域AR2中从第二GaN基化合物半导体层侧界面到有源层(2t0/3)厚度范围内的阱层厚密度是d2，阱层可以设置在有源层中以满足关系d1＜d2。
在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，阱层优选地设置在有源层中以满足关系1＜d2/d1≤20，优选地1.2≤d2/d1≤10，而且更优选地为1.5≤d2/d1≤5。这种设置可以通过形成均匀厚度的势垒层来实现。具体地讲，在有源层中的势垒层厚度从第一GaN基化合物半导体层侧变化到第一GaN基化合物半导体层侧变化(例如，多步或三步或更多步变化)。更具体地讲，可以采用有源层中的势垒层厚度从第一GaN基化合物半导体层侧到第一GaN基化合物半导体层侧逐步减小的结构。
作为选择，在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，优选地改变有源层中的势垒层厚度，例如，逐步改变使得最靠近第二GaN基化合物半导体层侧的势垒层厚度优选为20nm或更小，或者最靠近第一GaN基化合物半导体层侧的势垒层厚度等于或大于最靠近第二GaN基化合物半导体层侧的势垒层厚度的两倍。
此外，在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，有源层可以包含铟原子，而且更具体地讲，组成为AlxGa1-x-yInyN(其中，x≥0，y＞0，且0＜x+y≤1)。第一GaN基化合物半导体层和第二GaN基化合物半导体层的实例包括GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层。这些化合物半导体层还可以包含硼(B)原子、铊(TI)原子、砷(As)原子、铍(P)原子或锑(Sb)原子。
此外，在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，在有源层中的阱层数量(WL)为2或更多，且优选为4或更多。
此外，在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，该GaN基半导体发光装置还可以包括
(D)包含铟原子并形成在第一GaN基化合物半导体层和有源层之间的下层；和(E)包含p型掺杂剂并形成在有源层与第二GaN基化合物半导体层之间的超晶格层。
在该结构中，可以在高工作电流密度下实现GaN基半导体发光装置更稳定的操作，同时还提高发光效率和降低工作电压。
在该结构中，未掺杂GaN基化合物半导体层优选地形成在有源层与超晶格层之间，该未掺杂GaN基化合物半导体层的厚度为100nm或更小。超晶格层的总厚度优选为5nm或更大，而且超晶格层中的超晶格结构的周期优选为2个原子层到20nm。此外，包含在超晶格层中的p型掺杂剂的浓度优选为1×1018/cm3到4×1020/cm3。作为选择，下层的厚度为20nm或更大，而且未掺杂GaN基化合物半导体层优选地形成在下层与有源层之间，该未掺杂GaN基化合物半导体层的厚度为50nm或更小。此外，下层和有源层可以包含铟，而且下层的含铟率为0.005或更大，其低于有源层的含铟率。下层可以包含1×1016/cm3到1×1021/cm3的n型掺杂剂。
构成有源层的GaN基化合物半导体层优选地由未掺杂GaN基化合物半导体层构成，或者构成有源层的GaN基化合物半导体层的n型杂质浓度优选为小于2×1017/cm3。
此外，在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，短边长度(当有源层具有矩形平面形状)或短直径(当有源层具有圆形或椭圆平面形状)的长度为0.1mm或更小，并且优选为0.03或更小。当有源层具有其中短边或短直径不能确定的例如多边形或类似形状的平面形状时，其短直径定义为具有与有源层相同面积的圆的直径。在本发明的GaN基半导体发光装置中，降低了发射波长的偏移，特别是在高工作电流密度下的偏移。但是，在较小尺寸的GaN基半导体发光装置中，发射波长偏移的降低效果明显。因此，当本发明用于相对传统的GaN基半导体发光装置的尺寸更小的GaN基半导体发光装置时，可以实现低成本的高密度(高清晰度)的GaN基半导体发光装置和使用该发光装置的图像显示装置。
例如，当通常作为家用电视机的32英寸的高清晰度电视机(1920×1080×RGB)通过将这样的GaN基半导体发光装置设置为矩阵而实现时，包括对应于各子像素的红色发光装置、绿色发光装置和蓝色发光装置的组合的一个像素的尺寸约为360平方μm，而每个子像素基本上具有300μm的长侧边长和100μm的短边边长。作为选择，例如，在投影型显示器中，其中这样的GaN基半导体发光装置设置为矩阵以通过透镜投射，与传统投射液晶显示装置或DMD光阀类似，从光学设计和成本的角度看优选尺寸为1英寸或更小。甚至在使用二向色棱镜的三板型中，为了实现对角线长1英寸、分辨率为720×480的DVD，要求的GaN基半导体发光装置的尺寸为30μm或更小。这样，当短边(短直径)为0.1mm或更小并且更优选为0.03mm或更小时，与传统GaN基半导体发光装置相比，这种尺寸的区域中的发射波长偏移可以明显降低，因此扩大了实际应用范围并提高了使用性。
在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，作为形成各种GaN基化合物半导体层例如第一GaN基化合物半导体层、有源层和第二GaN基化合物半导体层的方法，可以使用金属化学气相沉积法(MOCVD法)、MBE法或其中卤素促进传送和反应的氢化物气相沉积法。
在MOCVD法中，三甲基镓(TMG)气或三乙基镓(TEG)气可以用作有机镓源气体，而氨气或肼气可以用作氮源气体。在形成具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层中，例如，硅(Si)可以作为n型杂质(n型掺杂剂)加入。在形成具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层中，例如，镁(Mg)可以作为p型杂质(p型掺杂剂)加入。当GaN基化合物半导体层包含组成原子铝(Al)或铟(In)时，三甲基铝(TMA)气体可以作为Al源使用，或者三甲基铟(TMI)可以作为铟源使用。另外，单硅烷(SiH4)气体可以作为硅源使用，而环戊二烯基镁气体、甲基环戊二烯基镁或二环戊二烯基镁(Cp2Mg)可以作为镁源使用。除Si外的其他n型杂质(n型掺杂剂)的实例包括Ge、Se、Sn、C或Ti。除镁外的其他p型杂质(p型掺杂剂)的实例包括Zn、Cd、Be、Ca、Ba和O。
连接到具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层的P型电极优选地具有单层或多层结构，其中该结构至少包含从由钯(Pd)、铂(Pt)、镍(Ni)、铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)和银(Ag)构成的组中选出的一种金属。可以使用透明导电材料例如ITO(氧化铟锡)。特别地，优选使用反光效率高的银(Ag)、Ag/Ni或Ag/Ni/Pt。连接到具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层的n型电极优选地具有单层或多层结构，其中该结构至少包含从由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)构成的组中选出的一种金属。例如可以是Ti/Au、Ti/Al或Ti/Pt/Au。该n型电极和p型电极可以通过PVD法例如真空气相或溅射形成。
另外，为了电连接电极到外电极或电路，可以在每个n型电极和p型电极上提供焊盘电极。该焊盘电极优选地具有单层或多层结构，其中该结构至少包含从由钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)、镍(Ni)构成的组中选出的一种金属。该焊盘电极可以具有多层结构，例如Ti/Pt/Au多层结构或Ti/Au多层结构。
在具有上述各种优选形式和结构的本发明中，GaN基半导体发光装置的组装可以具有正面(face-up)结构或倒装片(flip-chip)结构。
在本发明中，从GaN基半导体发光装置发射的光量(亮度)，除了控制驱动电流的峰值之外，还可以通过控制驱动电流的脉冲宽度、驱动电流的脉冲密度或两者的结合来控制。这是因为驱动电流峰值的变化略微影响GaN基半导体发光装置的发射波长。
具体地讲，例如，在一种类型的GaN基半导体发光装置中，对于一定发射波长λ0的驱动电流峰值用I0表示，而驱动电流的脉冲宽度用P0表示。在GaN基半导体发光装置或包括该GaN基半导体发光装置的光照明器、图像显示装置、平面光源装置或液晶显示组件中，该GaN基半导体发光装置的一个操作周期用Top表示。这种情况下，控制方法包括(1)控制(调整)驱动电流的峰值I0以控制从GaN基半导体发光装置的发光的量(亮度)；(2)控制驱动电流的脉冲宽度P0(驱动电流脉冲宽度控制)，以控制GaN基半导体发光装置的发光量(亮度或发光度)；和/或(3)控制GaN基半导体发光装置的一个操作周期Top中脉冲宽度为P0的脉冲数(脉冲密度)(驱动电流的脉冲密度控制)，以控制GaN基半导体发光装置的发光量(亮度或发光度)。
上述对GaN基半导体发光装置的发光量的控制可以通过GaN基半导体发光装置的驱动电路来实现，该驱动电路包括(a)向该GaN基半导体发光装置提供脉冲驱动电流的脉冲驱动电流提供装置；(b)设置该驱动电流的脉冲宽度和脉冲密度的脉冲驱动电流设置装置；和(c)设置电流峰值的装置。
该驱动电流不仅可以用于本发明的以阱层密度为特征的GaN基半导体发光装置，还可以用于传统的GaN基半导体发光装置。
本发明的GaN基半导体发光装置的实例可以包括发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)。该GaN基半导体发光装置的结构和构造没有特殊限制，只要其多层结构具有发光二极管的结构或激光器的结构。除上述的发光装置、图像显示装置、平面光源装置和包括彩色液晶显示组件的液晶显示组件外，本发明的GaN基半导体发光装置的应用领域包括用于如汽车、轮船和飞机的灯具和灯(例如，头灯、尾灯、高处安装的停止灯、小功率灯、转向信号灯、雾灯、室内灯、仪表盘灯、各种按钮上提供的光源、终点指示灯、急救灯和紧急出口指示灯)；楼宇中的各种灯具和灯(例如，室外用灯、室内灯、照明灯、紧急使用灯和紧急出口指示灯)；如街道、交通信号、广告显示、机器和各种器具的指示灯；隧道和地下通道的照明用灯具及灯；各种检查装置如生物显微镜的特殊照明；消毒器用灯；与光催化剂结合的除臭消毒器；照相和半导体光刻的曝光装置；以及通过空间、光纤或波导进行传送信息的光调制装置。
在本发明中，阱层设置在有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧的阱层密度。因此，可以抑制由于工作电流密度的增加所导致的发射波长的较大偏移，同时提高了发光效率。发明人进行的实验结果发现，在GaN基半导体发光装置中，当增加工作电流密度时，对发光有贡献的阱层逐渐向第二GaN基化合物半导体层偏移。其可能的原因是电子与空穴的迁移率的差异。应该想到，由于GaN基半导体发光装置中空穴的迁移率较低，所以空穴只到达靠近第二GaN基化合物半导体层的阱层，而且因此空穴与电子复合所引起的发光局限在该第二GaN基化合物半导体层侧。此外，对于包括阱层和势垒层的异质势垒的载流子穿透，另一种可能的原因是空穴有效质量大因此难于通过多个势垒层而到达第一GaN基化合物半导体层侧的阱层。即在本发明中，空穴可以到达的范围内(第二GaN基化合物半导体层侧)存在大量的阱层。例如，由于有源层中第一GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度大于有源层中第二GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度，因此提高了空穴的穿透率以使得空穴的均匀分布更容易。作为造成GaN基半导体发光装置中发射波长由于工作电流的增加而偏移到短波长侧的原因，伴随阱层中载流子浓度增加，已经提出了“局部水平能带填充”(bandfiling of localized level)和“压电场屏蔽”(screening of piezo-electric field)。但是，空穴被有效分布以提高复合概率，而且空穴被均匀地分布以降低单位阱层的载流子浓度，进而降低发射波长向短波侧的偏移。
因此，甚至在为了增加GaN基半导体发光装置的光学输出而增加该GaN基半导体发光装置的驱动电流(工作电流)时，也可以防止由于驱动电流的增加所造成的发射波长偏移问题。特别是，当发射蓝光或发射绿光的GaN基半导体发光装置中工作电流增加到30A/cm2或进一步增加到50A/cm2或100A/cm2或更多时，可以得到较大的效果(增加亮度和减少波长向短波侧的偏移)。在本发明中，由于有效利用了从局限在有源层的特殊区域的阱层的光发射，因此可以通过使用具有高光学谐振效应的光提取技术的协同效应来实现高的效率，并可以希望提高半导体层的特性。
在图像显示装置、平面光源装置或包括彩色液晶显示组件的液晶显示组件中，驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度被控制，而且GaN基半导体发光装置在的驱动电流(工作电流)的高峰值电流下被驱动以增加光学输出，因此增加了亮度而降低了发射波长的偏移，即，处于驱动电流(工作电流)的改变没有造成发射波长太大变化的状态。换言之，亮度可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度以及控制驱动电流的峰值来控制。因此，相比于传统技术，增加了亮度的控制参数，因此允许较大范围内的亮度控制。即可以获得大动态范围的亮度。具体地讲，可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值来控制整个装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来精细地控制亮度。反之，可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来控制整个装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值来精细地控制亮度。由于发光装置造成GaN基半导体发光装置的发射波长很小的偏移，因此无论电流值如何都可以是实现稳定色度。特别是，这种控制对于包括蓝光或近紫外线GaN基半导体发光装置和颜色转换材料组合的白色光源是很有用的。
图1是示出实例1的GaN基半导体发光装置层结构的概念图。
图2是示出实例1的GaN基半导体发光装置的示意性截面图。
图3是示出实例1与比较实例1的每个GaN基半导体发光装置的工作电流密度与光学输出之间关系的测量结果的示意图。
图4是示出实例1与比较实例1的每个GaN基半导体发光装置的工作电流密度与发射峰值波长之间关系的示意图。
图5是示出向GaN基半导体发光装置提供驱动电流以评估该GaN基半导体发光装置的状态的概念图。
图6A是实例1的GaN的半导体发光装置的示意性俯视图。
图6B是图6A沿箭头B-B的示意性截面图(其中省略了斜线)。
图7是示出两个串联连接的GaN基半导体发光装置的示意性俯视图。
图8是示出实例1中接近有源层的能带图和费米能级的示意图。
图9是示出比较实例1中接近有源层的能带图和费米能级的示意图。
图10是示出实例1中的空穴浓度计算结果的示意图。
图11是示出比较实例1中的空穴浓度计算结果的示意图。
图12是示出具有实例1的结构的有源层中每个不同n型掺杂浓度下的空穴浓度计算结果的示意图。
图13是示出实例1中的空穴浓度计算结果的示意图。
图14是示出实例1的修改实例A中的空穴浓度计算结果的示意图。
图15A是示出实例1的修改实例B中接近有源层的能带图和费米能级的示意图。
图15B是示出实例1的修改实例B中的空穴浓度计算结果的示意图。
图16A是示出实例1的修改实例C中接近有源层的能带图和费米能级的示意图。
图16B是示出实例1的修改实例C中的空穴浓度计算结果的示意图。
图17A是示出比较实例1-A的修改实例C中接近有源层的能带图和费米能级的示意图。
图17B是示出比较实例1-A的修改实例C中的空穴浓度计算结果的示意图。
图18是示出实例3与比较实例3中每个GaN基半导体发光装置的工作电流密度与发射峰值波长之间关系的示意图。
图19A是实例4的GaN基半导体发光装置的俯视图。
图19B是图19A沿箭头B-B的示意性截面图(其中省略了斜线)。
图20A是示出实例4A与比较实例4A中每个GaN基半导体发光装置的工作电流密度与发射峰值波长之间关系的示意图。
图20B是示出实例4A与比较实例4B中每个GaN基半导体发光装置的工作电流密度与发射峰值波长之间关系的示意图。
图21A是实例6的无源矩阵型、直观型图像显示装置(根据实施例1A的图像显示装置)的电路图。
图21B是GaN基半导体发光装置设置为二维矩阵的发光装置板的示意性截面图。
图22是实例6的有源矩阵型、直观型图像显示装置(根据实施例1A的图像显示装置)的电路图。
图23是包括发光装置板的投影型图像显示装置(根据实施例1B的图像显示装置)的概念图，其中在该发光装置板内GaN基半导体发光装置设置为二维矩阵。
图24是包括红色发光装置板、绿色发光装置板和蓝色发光装置板的投影型彩色图像显示装置(根据实施例1C的图像显示装置)的概念图。
图25是包括GaN基半导体发光装置和光传输控制器的投影型图像显示装置(根据实施例1D的图像显示装置)的概念图。
图26是包括三组GaN基半导体发光装置和光传输控制器的彩色显示投影型图像显示装置(根据实施例1D的图像显示装置)的概念图。
图27是包括发光装置板和光传输控制器的投影型图像显示装置(根据实施例1E的图像显示装置)的概念图。
图28是包括三组GaN基半导体发光装置和光传输控制器的彩色显示投影型图像显示装置(根据实施例1F的图像显示装置)的概念图。
图29是包括三个GaN基半导体发光装置和光传输控制器的彩色显示投影型图像显示装置(根据实施例1G的图像显示装置)的概念图。
图30是包括三个发光装置板和光传输控制器的彩色显示投影型图像显示装置(根据实施例1H的图像显示装置)的概念图。
图31是实例7的有源矩阵型、直观型彩色显示图像显示装置(根据实施例2A的图像显示装置)的电路图。
图32A是示出实例8的平面光源装置内的光发射装置的布置和阵列状态的示意图。
图32B是示出平面光源装置和彩色液晶显示组件的示意性部分截面图。
图33是示出彩色液晶显示装置的示意性部分截面图。
图34是示出实例9的彩色液晶显示装置的概念图。
图35是包括具有倒装片结构的LED的GaN基半导体发光装置的示意性截面图。
图36是其中描绘了参考产品1到5的GaN基半导体发光装置中蓝光发射峰值成分占总(发射能量)的比例的示意图。
参考数字1、101...GaN基半导体发光装置，UN...发光装置单元，10...衬底，11...缓冲层，12...未掺杂GaN层，13...具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层，14...未掺杂GaN层，15...有源层，16...未掺杂GaN层，17...具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层，18...镁掺杂GaN层，19A...n型电极，19B...p型电极，21...子固定架，22...塑料透镜，23A...金线，23B...外电极，24...反射器座，25...散热器，26...驱动电路，27...控制件，28...驱动电流源，29...脉冲发生电路，30...驱动器，41、43...列驱动，42、44...行驱动，51...支架，52...X方向布线，53...Y方向布线，54...透明衬底，55...微型透镜，56...投影透镜，57...二向色棱镜，58...液晶显示装置，59...导光构件，102...散热器，200、200A...彩色液晶显示组件，210...彩色液晶显示装置，220...前板，221...第一衬底，222...滤色器，223...保护层，224...透明第一电极，225...取向膜，226...偏振膜，227...液晶材料，230...后板，231...第二衬底，232...开关元件，234...透明第二电极，235...取向膜，236...偏振膜，240...平面光源装置，241...壳体，242A...壳体底部，242B...壳体侧表面，243...外框架，244...内框架，245A、245B...隔离件，246...导引构件，247...支托构件，251...散射板，252...散射片，253...棱镜片，254...偏转转换片，255...反射片，250...平面光源装置，260...光源，270...光导板，271...光导板第一表面，272...第一表面不规则部分，273...光导板第二表面，274...光导板第一侧面，275...光导板第二侧面，276...光导板第三侧面，281...反射元件，282...散射片，283...棱镜片，301，302...焊料层，303...铝层，304...SiO2层，304...钝化层具体实施方式
在参照附图并根据实例，在描述本发明之前初步检验GaN基发光二极管的特性。
即，制造了包括具有9个阱层和8个势垒层的有源层的GaN基半导体发光装置(参考产品0)。该GaN基半导体发光装置具有图1的概念图所示的结构，其中依次堆叠了缓冲层11(厚度30nm)；未掺杂GaN层12(厚度1μm)；具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层13(厚度3μm)；未掺杂GaN层14(厚度5nm)；具有包括阱层和在阱层之间进行隔离的势垒层(该阱层和势垒层在图中未示出)的多量子阱结构的有源层15；未掺杂GaN层16(厚度10nm)；具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层17(厚度20nm)；镁掺杂GaN层(接触层)18(厚度100nm)。在某些附图中，缓冲层11、未掺杂GaN层12、未掺杂GaN层14、未掺杂GaN层16和镁掺杂GaN层18未示出。提供未掺杂GaN层14用以提高通过晶体生长形成在其上的有源层15的结晶度，而提供未掺杂GaN层16用以防止第二GaN基化合物半导体层17中的掺杂剂(例如镁)扩散到有源层15中。在有源层15中，每个阱层是厚度为3nm且铟比率为0.23的InGaN(In0.23Ga0.77N)层，而且每个势垒层是厚度为15nm的GaN层。具有这一组成的阱层可以称为“组成-A阱层”。
在GaN基半导体发光装置(参考产品0)中，在工作电流密度为60A/cm2时，发射峰值波长为515nm，而发光效率为180mW/A。与商业LED类似，当发光装置安装在高反射性固定架上并被高折射率的树脂密封时，在总光通量测量中可以获得约两倍以上的效率。
其次，产生具有类似层结构的GaN基半导体发光装置，其中只调整了9个阱层中某个具体层的铟的组成比例，即提供了厚度为3nm且铟比率为0.15的InGaN(In0.15Ga0.85N)阱层(可以简记为组成-B阱层)，而其他8个阱层是组成-A的阱层。其中从第一GaN基化合物半导体层侧的第一阱层为组成-B阱层的GaN基半导体发光装置称为“参考产品-1”；其中第三阱层为组成-B阱层的GaN基半导体发光装置称为“参考产品-2”；其中第五阱层为组成-B阱层的GaN基半导体发光装置称为“参考产品-3”；其中第七阱层为组成-B阱层的GaN基半导体发光装置称为“参考产品-4”；其中第九阱层为组成-B阱层的GaN基半导体发光装置称为“参考产品-5”。如上述，在该参考产品-1至5的每个GaN基半导体发光装置中，其他阱层为组成-A阱层。
这一实验的目的在于，当光从具有9个阱层的发射绿光的GaN基半导体发光装置发射时，阱层的发光率是可见的。
在该参考产品-1至5的每个GaN基半导体发光装置中，当工作电流密度为60A/cm2时，发射峰值波长为515nm，而发光效率为180mW/A。但是，在某些参考产品中，由于组成-B的阱层，在蓝光发射区域(发射波长约450nm)而不是绿光发射区域(发射波长约515nm)观察到较小的发射峰值。图36描绘了蓝光发生峰值成分占总成分的比例。在图36中，横坐标中的第一层、第三层、...表示从第一GaN基化合物半导体层的组成-B阱层的位置。即，对应第Q层(Q＝1、3、5、7或9)的蓝光发射峰值成分占总成分的比例的数据表示，在具有组成-B的阱层的GaN基半导体发光装置中，在每个工作电流密度下第Q层的蓝光发射峰值成分占总成分的比例。
必须注意的是绿光发射(发射波长约515nm)和蓝光发射(发射波长约450nm)的能带隙相差350meV，而且典型的衰减时间也不同(例如，在S.F.Chichibu，et al.Materials Science & Engineering B59(1999)，p.298的图6中，铟组成率为0.15的LED(发射蓝光)的发射衰减时间为6纳秒，而铟组成率为0.22的LED(发射绿光)的发射衰减时间为9纳秒)。但是，如图36所示的通过实验显示发光分布的方法是非传统的方法。
如图36所示，任何工作电流密度下，发光局限在多量子结构有源层的第二GaN基化合物半导体层侧的有源层厚度方向上的2/3区域内。此外，80％的发光发生在第二GaN基化合物半导体层侧的有源层厚度方向上的1/2区域内。如日文翻译的PCT专利文献2003-520453号中描述的，显著的发射局限性的可能原因是电子和空穴之间迁移率的差异。由于GaN基化合物半导体中空穴的迁移率较低，空穴只到达靠近第二GaN基化合物半导体层的阱层，因此由于空穴与电子复合所引起的发光局限在该第二GaN基化合物半导体层侧。此外，对于包括阱层和势垒层的异质势垒层的载流子透过率，另一个可能原因是有效质量大的空穴难于通过多个势垒层而到达第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层。
因此，为了有效利用局限在第二GaN基化合物半导体层侧上的发射，可以提出具有局限在第二GaN基化合物半导体层侧的阱层非对称分布的多量子阱结构。而且，发现该发射分布在第二GaN基化合物半导体层侧在厚度方向上的有源层1/3到1/2的区域内具有峰值。还发现在利用光学谐振效应的半导体层或发光二极管中(参考，例如，Y.C.Shen，et al.，Applied PhysicsLetters，vol.82(2003)，p.2221)，为了通过在规定窄区域中集中作为发光层的阱层来实现高效的感应发射或光提取，优选使用多量子阱结构，其中阱层分布局限在第二GaN基化合物半导体层侧在厚度方向上的有源层约1/3的区域内。
实例1实例1涉及根据本发明的GaN基半导体发光装置，更具体地涉及发光二极管(LED)。图1是层结构的概念图，图2是示意性截面图。除有源层15的构造和结构外，实例1的GaN基半导体发光装置1与参考产品-0具有相同的构造和结构。
该GaN基半导体发光装置1固定到子固定架21上，并且通过布线(未显示)和提供在子固定架21上的金线23A电连接到外电极23B上，该外电极23B电连接到驱动电路26上。该子固定架21附着到提供在散热器25上的反射器座24。此外，塑料透镜22设置在该GaN基半导体发光装置1上，而且在该塑料透镜22和该GaN基半导体发光装置1之间的空隙填充了用于从该GaN基半导体发光装置1发射的光的光透射介质层(未显示)，例如，透明环氧树脂(折射系数例如1.5)、凝胶材料(例如，Nye Lubricants Inc.的产品OCK-451(折射系数例如1.51)或产品OCK-433(折射系数例如1.46))、硅酮橡胶或石油化合物材料，例如硅油化合物(例如，ToshibaSilicone Co.，Ltd.的产品TSK5353(折射系数例如1.45))。
此外，阱层设置在有源层1 5中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。下面的表1给出了有源层15的多量子阱结构的详细情况。在表1和下面给出的表2和表3中，每个阱层和势垒层厚度右边的括号内的数字表示从有源层15中第一GaN基化合物半导体层侧界面(更具体地讲，实施例1中未掺杂GaN层14和有源层15之间的界面)的整个厚度。
在实例1中，当有源层15的总厚度是t0时，从第一GaN基化合物半导体层侧界面(更具体地讲，实例1中有源层15和未掺杂GaN层14之间的界面)到有源层15中(2t0/3)厚度处的有源层第一区域AR1中的阱层密度是d1，而从第二GaN基化合物半导体层侧界面(更具体地讲，实例1中的有源层15和未掺杂GaN层16之间的界面)到(t0/3)厚度处的有源层第二区域AR2内的阱层密度是d2，阱层设置在有源层15中以满足关系d1＜d2。
具体地讲，阱层密度d1和阱层密度d2可以由等式(1-1)和(1-2)如下确定[实例1]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝(4/10)/(50/150)＝1.20d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝(6/10)/(100/150)＝0.90为了比较，制造了包括示为表1中的比较实例1的有源层的GaN基半导体发光装置。
在实例1和比较实例1的GaN基半导体发光装置的每个中，为了评价并简化制造工艺，具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层13基于光刻和蚀刻工艺部分地暴露，Ag/Ni构成的p型电极19B形成在Mg掺杂GaN层18上，而且Ti/Al构成的n型电极19A形成第一GaN基化合物半导体层13上。然后，使探针头与n型电极19A和p型电极19B接触，而且提供驱动电流以检测从衬底10的背面发出的光。这一状态示出在概念图5中。图6A是GaN基半导体发光装置1的示意性俯视图，而图6B是沿图6A中箭头B-B的示意性截面图(其中省略了斜线)。GaN基半导体发光装置的工作电流密度是将工作电流除以有源层面积(结区域面积)得到的值。例如，当图6A和图6B所示的GaN基半导体发光装置1的有源层面积(结区域面积)为6×10-4cm2，驱动电流为20mA，计算得到工作电流密度为33A/cm2。例如，即使在图7所示的GaN基半导体发光装置串联连接的状态下，计算得到工作电流密度仍为33A/cm2。
比较实施例1中阱层密度d1和阱层密度d2可以由等式(1-1)和(1-2)如下确定[比较实例1]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝((3+1/3)/10)/(49/147)＝1.00d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝((6+2/3)/10)/(98/147)＝1.00图3示出了GaN基半导体发光装置的工作电流密度与光学输出之间关系的测量结果。实例1的GaN基半导体发光装置1的光学输出相比对应于传统GaN基半导体发光装置的比较实例1的光学输出进一步增加。当工作电流密度为50A/cm2或更大时，实例1与比较实例1的GaN基半导体发光装置1的光学输出之间的差异变得显著，而当工作电流密度为100A/cm2或更大时，这种差异为10％或更大。即由于在50A/cm2或更大且更优选地100A/cm2或更大的工作电流密度下，实例1的GaN基半导体发光装置1的光学输出相比对应于传统GaN基半导体发光装置的光学输出进一步增加，因此优选地在50A/cm2或更大且更优选地100A/cm2或更大的工作电流密度下使用GaN基半导体发光装置1。
另外，图4示出了GaN基半导体发光装置的工作电流密度与发射峰值波长之间的关系。当工作电流密度从0.1A/cm2增加到300A/cm2时，在比较实例1中，Δλ＝-19nm，而在实例1中，Δλ＝-8nm，因此实现了较小的发射波长偏移。特别是，工作电流密度为30A/cm2或更大时，基本观察不到波长偏移。换言之，由于发射波长在30A/cm2或更大工作电流密度下几乎不变化，因此从发射波长控制和发光色彩的方面来看这一工作电流密度是优选的。特别是，工作电流密度为50A/cm2或更大时及进一步为100A/cm2或更大时，与比较实例1的传统GaN基半导体发光装置相比，实例1的GaN基半导体发光装置1造成明显更小的波长偏移，因此其显然优于传统的GaN基半导体发光装置。
为了理论上证明这一效果，计算了实例1和比较实例1的能带图。组成和掺杂浓度如下面的[步骤-100]至[步骤-140]所描述，而且有源层中的n型掺杂浓度为1×1017/cm3。而且，外偏置电压为3伏特。
图8和图9分别显示了通过计算确定的实例1和比较实例1的有源层附近的能带图和费米能级。在实例1和比较实例1任何一个中，有源层包括10个阱层，并且具有阱层中的压电电场(piezo electric field)造成的能带倾斜(沿对角向右下)和阱层前后的能带偏移(沿对角向右上)的特点。实例1和比较实例1之间的差别在其包络线(envelope)。在比较实例1中，阱层均匀分布，包络线稍微沿对角向右下倾斜，而在实例1中，包络线在势垒层厚度改变的部分(从有源层与第一GaN基化合物半导体层之间的界面约1/3处)显著倾斜。
根据这些结果，计算了实例1和比较实例1的空穴浓度。结果如图10和图11所示。这些图显示，在比较实例1中，空穴的分布只到达从第二GaN基化合物半导体层界面的第三阱层，而在实例1中，空穴在所有阱层内的分布浓度都高于比较实例1中，而且空穴的分布到达从第二GaN基化合物半导体层界面的第九阱层。如上所述，比较实例1中的空穴浓度分布可能是因为空穴由于其迁移率和有效质量的原因只到达第二GaN基化合物半导体层的界面的缘故。在实例1中，空穴可以分布到很多阱层中，而且可以分布到远离第二GaN基化合物半导体层的界面的阱层中。这可能导致发光装置输出的提高和发射波长偏移的减小。
使用相同的计算方法，计算得到实例1结构的有源层中各n型掺杂浓度下的空穴浓度。图12给出了该结果。n型掺杂浓度为5×1016/cm3时，空穴分布到少数阱层中，但是以比n型掺杂浓度为1×1017/cm3时高100倍或更高的浓度分布到4个阱层中。另一方面，当n型掺杂浓度为2×1017/cm3或更高时，空穴只到达从第二GaN基化合物半导体层的界面附近的2个或3个阱层，而且空穴浓度也较低。因此，优选地，n型掺杂浓度为小于2×1017/cm3或者有源层不掺杂。有源层通过德尔塔掺杂(delta doping)部分掺杂而非均匀地掺杂。在此情况下，整个有源层中的平均n型掺杂浓度优选小于2×1017/cm3。
制造了具有表1中右列结构的GaN基半导体发光装置作为实例1的修改实例。在实例1的修改实例-A中，第一势垒层的厚度为两倍，即50nm。而且，阱层数量和势垒层数量每个减1，以控制有源层的总厚度。广泛地讲，在该结构中，势垒层的厚度逐步减小。
图13和图14给出了实例1和实例1的修改实例-A中的空穴浓度的计算结果。在实例1中，空穴以高浓度分布到数目多于比较实例1中的阱层中，但是仅在一个阱层中观察到高的空穴浓度。另一方面，在实例1的修改实例-A中，在两个阱层中观察到更高的空穴浓度，因此对于提高发光效率和减小发射波长偏移具有更高的使用价值。
表2给出了阱层数量为4的实例1的修改实例(实例1的修改实例-B和修改实例-C)的结构和比较实例1-A的结构。图15A、图16A和图17A分别给出了通过计算确定的实例1的修改实例-B和修改实例-C及比较实例1-A中有源层附近的能带图和费米能级。图15B、图16B和图17B分别给出了空穴浓度的计算结果。在实例1的修改实例-B中，图15B所示的最右阱层(最接近第二GaN基化合物半导体层的界面)的空穴浓度低于比较实例1-A，但是其他各阱层的空穴浓度都高于比较实例1-A的浓度。特别是，中间两阱层具有非常高的空穴浓度。在实例1的修改实例-B中，图16B所示的最右阱层(最接近第二GaN基化合物半导体层的界面)的空穴浓度等于比较实例1-A，而且分布在其他阱层内的空穴浓度都高于在比较实例1-A中的浓度。因此，认为这些实例有效地提高了发光效率并减小发射波长的偏移。
因此，在GaN基半导体发光装置中，可以通过改变具有多量子阱结构的有源层中的阱层分布来不同地改变空穴浓度分布。在本发明中，表现出在从蓝光到绿光的GaN基半导体发光装置的可见区域中提高了发光效率并减小发射波长的偏移的效果。但是，即使在发射波长偏移基本上很小的蓝紫(blue-violet)(波长约400nm)区域中，本发明仍有效地提高了发光效率。而且，具有更高压电电场的AlGaN系统的紫外区域(波长365nm或更小)中，本发明可以有效地降低发射波长偏移和提高发光效率。
除了使用驱动电流的峰值电流I0的方法，还可以通过控制驱动电流的脉冲宽度、驱动电流的脉冲密度或两者的组合来控制从GaN基半导体发光装置的发射的光量(亮度)。在下述的实例中，从GaN基半导体发光装置的发射的光量(亮度)可以通过相同的方法控制。
当有源层15的总厚度是t0时，从第一GaN基化合物半导体层侧界面(更具体地讲，未掺杂GaN层14和有源层15之间的界面)到有源层15中的(t0/2)厚度范围内的有源层第一区域AR1中的阱层密度是d1，而从第二GaN基化合物半导体层侧界面(更具体地讲，未掺杂GaN层16和有源层15之间的界面)到(t0/2)厚度范围内的有源层第二区域AR2中的阱层密度是d2，阱层设置在有源层15中以满足关系d1＜d2。在此情况下，阱层密度d1和阱层密度d2可以由下面的等式(1-1)和(1-2)确定[等价实例1]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝(6/10)/(75/150)＝1.20d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝(4/10)/(75/150)＝0.80[等价比较实例1]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝(5/10)/{(73+1/2)/147}＝1.00d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝(5/10)/{(73+1/2)/147}＝1.00当有源层15的总厚度是t0时，从第一GaN基化合物半导体层侧界面(更具体地讲，未掺杂GaN层14和有源层15之间的界面)到有源层15中的(t0/3)厚度范围内的有源层第一区域AR1中的阱层密度是d1，而从第二GaN基化合物半导体层侧界面(更具体地讲，未掺杂GaN层16和有源层15之间的界面)到有源层(2t0/3)厚度范围内的有源层第二区域AR2中的阱层密度是d2，阱层设置在有源层15中以满足关系d1＜d2。在此情况下，阱层密度d1和阱层密度d2由等式(1-1)和(1-2)如下确定[等价实例1]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝(8/10)/(50/150)＝2.40d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝(2/10)/(100/150)＝0.30[等价比较实例1]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝{(6+2/3)/10}/(98/147)＝1.00d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝{(3+1/3)/10}/(49/147)＝1.00如上所述，在对应实例1的任何情况中，阱层设置在有源层15中以满足关系d1＜d2。
在实例1中，如图2所示，驱动电路26包括控制件27、作为驱动电流的电源的驱动电流源28、产生预定脉冲信号的脉冲发生电路29、和驱动器30。该驱动电流源28、脉冲发生电路29和驱动器30对应于向GaN基半导体发光装置提供脉冲驱动电流的脉冲驱动电流提供装置。控制件27对应于设置脉冲驱动电流的宽度和脉冲密度的脉冲驱动电流设置装置，并且对应于设置峰值电流的装置。
在驱动电路26中，驱动电流的峰值电流I0在控制件27的控制下从驱动电流源28输出。另外，脉冲信号从脉冲发生电路29输出以在控制件27的控制下，控制GaN基半导体发光装置1脉冲宽度和GaN基半导体发光装置1的一个操作周期Top内具有脉冲宽度P0的脉冲的数量。在接收驱动电流和脉冲信号的驱动器30中，从驱动电流源28提供的驱动电流基于从脉冲发生电路29输出的脉冲信号进行脉冲调制，以向GaN基半导体发光装置1提供脉冲驱动电流。因此，可以控制从GaN基半导体发光装置1发射的光量。
下面描述制造GaN基半导体发光装置1的方法摘要。
首先，具有C平面作为主平面的蓝宝石用作衬底10，并在1050℃的衬底温度下在氢载气中清洗10分钟，然后冷却至500℃的衬底温度。此后，在MOCVD工艺的基础上，在提供作为氮原材料的氨气的情形下，提供作为镓源的三甲基镓(TMG)气体，以通过晶体生长在衬底10上沉积由低温GaN构成且厚30nm的缓冲层11。此后，停止提供TMG气体。
接下来，增加衬底温度至1020℃，并再次开始提供TMG气体以通过晶体生长在缓冲层11上形成厚1μm的未掺杂GaN层12。此后开始提供作为硅原料的硅烷(SiH4)气体，以通过晶体生长在未掺杂GaN层12上形成第一GaN基化合物半导体层13，该第一GaN基化合物半导体层13由硅掺杂GaN(GaN:Si)构成，具有n型导电性且厚3μm。掺杂浓度约为5×1018/cm3。
此后，停止提供TMG气体和SiH4气体，并将载气从氢气改变为氮气，同时降低衬底温度至750℃。此后，通过阀门开关提供作为Ga源的三甲基镓(TMG)气体和作为In源的三甲基铟(TMI)气体。首先，通过晶体生长形成未掺杂GaN层14，然后形成具有多量子阱结构的有源层15，该多量子阱结构包括未掺杂的或掺杂且具有浓度小于2×1017/cm3的n型杂质的InGaN构成的阱层，和未掺杂的或掺杂且具有浓度小于2×1017/cm3的n型杂质的GaN构成的势垒层。该阱层具有例如对应515nm发射波长为0.23的的铟组成比例。阱层的铟组成比例可以基于希望的发射波长确定。例如表1给出了多量子阱结构的详细情况。
完成多量子阱结构的形成后，增加衬底温度至800℃，同时生长10nm的未掺杂GaN层16。开始提供作为Al原材料的三甲基铝(TMA)气体和作为Mg原材料的二环戊二烯基镁(Cp2Mg)气体，以通过晶体生长形成第二GaN基化合物半导体层17，该第二GaN基化合物半导体层具有p型导电性，厚度为20nm，且由Al组成比例为0.2的Mg掺杂AlGaN(AlGaN:Mg)构成。掺杂浓度约为5×1019/cm3。
此后，停止提供TMG气体、TMA气体和Cp2Mg气体，并且载气从氮气改变为氢气，同时增加衬底温度至850℃。此后，开始提供TMG气体和Cp2Mg气体，以通过晶体生长在第二GaN基化合物半导体层17上形成100nm厚的Mg掺杂GaN(GaN:Mg)层。掺杂浓度约为5×1019/cm3。此后，停止提供TMG气体和Cp2Mg气体，同时降低衬底温度。在600℃衬底温度下，停止提供氨气。降低衬底温度至室温以完成晶体生长。
在有源层15生长之后衬底温度TMAX满足关系TMAX＜1350-0.75λ(℃)，并且优选地TMAX＜1250-0.75λ，其中λ(nm)为发射波长。按照日本未审查专利申请公开第2002-319702中揭示的，通过使用有源层15成长之后的衬底温度TMAX，可以抑制有源层15的热劣化。
完成晶体生长后，衬底在800℃于氮气气氛中退火10分钟以激活p型杂质(p型掺杂物)。此后，与通常的LED晶片加工工艺和芯片形成工艺中相类似，通过光刻工艺和蚀刻工艺，并通过金属蒸发形成p型电极和n型电极之后，将衬底切割为芯片。此外，进行树脂模制和封装以形成各种发光二极管，例如贝壳型和表面安装型。
实例2实例2是实例1的修改。在实例2的GaN基半导体发光装置中，在第一GaN基化合物半导体层13和有源层15(更具体地讲，实例2中第一GaN基化合物半导体层13和未GaN掺杂层14)之间形成包含铟原子的下层。此外，有源层15和第二GaN基化合物半导体层17(更具体地讲，实例2中未GaN掺杂层16和第二GaN基化合物半导体层17)之间形成包含p型杂质的超晶格层。在这一结构中，可以实现高工作电流密度下的GaN基半导体发光装置更稳定的操作，并进一步提高发光效率和进一步降低操作电压。
该下层是铟组成比例为0.03且厚度为150nm的硅掺杂InGaN层。掺杂浓度为5×1018/cm3。另一方面，超晶格层具有超晶格结构，其中厚度为2.4nm的AlGaN层(掺杂镁)和厚度为1.6nm的GaN(掺杂镁)层以5个周期堆叠。该AlGaN层的Al组成比例为0.15。该超晶格层中含有的p型掺杂浓度为5×1019/cm3。
除这些点之外，实例2的GaN基半导体发光装置与实例1具有相同的构造和结构，因此将省略详细的描述。实例2的GaN基半导体发光装置的构造和结构可以应用于下面将要描述的实例3和实例4的GaN基半导体发光装置。
实例3实例3是实例1的修改。下表3给出了实例3的GaN基半导体发光装置中的有源层15的多量子阱结构的详细情况。在实例3和比较实例3中，控制阱层的铟组成比例使得发射波长约为445nm。
阱层密度d1和阱层密度d2由等式(1-1)和(1-2)如下确定[实例3]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝{(5+2/9)/10}/{(40+2/3)/122}＝1.57d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝{(4+7/9)/10}/{(81+1/3)/122}＝0.72为了比较，制造了示出为包括表3中的比较实例3的有源层的GaN基半导体发光装置。比较实例3中阱层密度d1和阱层密度d2由等式(1-1)和(1-2)如下确定[比较实例3]d2＝(WL2/WL)/(t2/t0)＝{(3+1/3)/10}/{(41+1/2)/(124+1/2)}＝1.00d1＝(WL1/WL)/(t1/t0)＝{(6+2/3)/10}/{83/(124+1/2)}＝1.00基于与实例1中相同的方法，评价实例3和比较实例3中的GaN基半导体发光装置。
图18示出了每个GaN基半导体发光装置的工作电流密度与发射峰值波长之间关系。当工作电流密度从0.1A/cm2增加到300A/cm2时，在比较实例3中，Δλ＝-9nm，而在实例3中，Δλ＝-1nm并且实现了非常小的发射波长偏移。因此，实例3的蓝GaN基半导体发光装置1示出了十分小的发射波长偏移，因此明显优于传统的GaN基半导体发光装置。
实例4实例4也是实例1的修改。在实例4中，图19A为实例4的GaN基半导体发光装置的示意性俯视图，图19B是沿图19A中箭头B-B的示意性截面图(省略了斜线)。实例4的GaN基半导体发光装置1在有源层的平面形状上与图6A和图6B所示的实例1的GaN基半导体发光装置1不同。即，在实例4中，GaN基半导体发光装置1的有源层15的形状为直径L2(对应于短直径)等于14μm而面积约为1.5×10-6cm2的圆形平面。除该点之外，实例4的GaN基半导体发光装置1与实例1的GaN基半导体发光装置1具有相同的构造和结构。实例4的GaN基半导体发光装置1简称为“GaN基半导体发光装置实例4A”。
另外，制造了与图6A和图6B所示的实例1的GaN基半导体发光装置1具有相同构造和结构的GaN基半导体发光装置1，其中有源层具有边长(对应于短边)L1为300μm的被部分切除的正方形平面形状(面积约6.8×10-4cm2)。该GaN基半导体发光装置1简称为“GaN基半导体发光装置实例4B”。
为了比较，制造了作为比较实例4的GaN基半导体发光装置，其除了有源层构造与比较实例1相同之外具有与实例4的GaN基半导体发光装置1相同的结构。该GaN基半导体发光装置简称为“GaN基半导体发光装置比较实例4A”。另外，制造了具有与比较实例1的GaN基半导体发光装置1相同构造和结构的GaN基半导体发光装置，其中有源层具有边长(对应短边)L1为300μm的部分切除的正方形平面形状(面积约6.8×10-4cm2)。该GaN基半导体发光装置简称为“GaN基半导体发光装置比较实例4B”。
当以30A/cm2的工作电流密度驱动实例4A、比较实例4A、实例4B和比较实例4B的GaN基半导体发光装置时，驱动电流分别约为50μA和约为20mA。
图20A示出了实例4A和比较实例4A的GaN基半导体发光装置每个的工作电流密度与峰值波长偏移之间的关系。图20B示出了实例4B和比较实例4B的GaN基半导体发光装置每个的工作电流密度与峰值波长偏移之间的关系。
在任何尺寸的GaN基半导体发光装置中，当工作电流密度为30A/cm2或更大时，实例的发射波长偏移小于比较实例的发射波长偏移。因此据说，无论尺寸如何都表现出有源层中非对称分布的效应。另一方面，在相同工作电流密度下的比较发现，实例4A的发射波长偏移小于实例4B。
另外，例如，在GaN基半导体发光装置的平面上存在多量子阱结构的组成、厚度、掺杂、发光和阈值电压上的变化。这些不同的最小最大差别随GaN基半导体发光装置面积的增加而增加。当GaN基半导体发光装置尺寸较大且具有电流横向流动通道时，由于层的表面电阻使得电流难于均匀的通过，因此造成平面中工作电流密度的变化。由于这些原因，在大的GaN基半导体发光装置中，由于驱动电流密度的变化所造成的发射波长偏移更严重。相反，在小的GaN基半导体发光装置中，发射波长的偏移还可以减小。
这种能够进一步减小发射波长偏移并且每个包括直径约为14μm的有源层的GaN基半导体发光装置，例如，可以高密度地以矩阵形成在衬底上，并用于投影型显示器，或安装在大的衬底上以实现直观型大型电视机。此外，由于减小了发射波长的偏移，因此可以降低GaN基半导体发光装置的制造成本，而且可以通过调制脉冲幅度和脉冲密度(脉冲宽度)来实现优异的动态范围、色彩层次和色彩稳定度的显示装置。
实例5实例5涉及本发明的光照明器。实例5的光照明器包括GaN基半导体发光装置和颜色转换材料，其中从GaN基半导体发光装置发出的光入射到该颜色转换材料上并且该颜色转换材料发射波长不同于GaN基半导体发光装置发射的光的波长的光。实例5的光照明器具有与传统光照明器相同的结构，而且颜色转换材料影应用于例如GaN基半导体发光装置的发光部分。
该GaN基半导体发光装置(发光二极管)的基本构造和结构与实例1至4中描述的相同。即该GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层13；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层15；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层17；其中阱层设置在有源层15中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧的阱层密度。
在实例5中，从GaN基半导体发光装置发出的光是蓝光，从颜色转换材料发出的光是黄光。该颜色转换材料包括YAG(钇铝石榴石)荧光粒子，且通过GaN基半导体发光装置发射的光(蓝色)与颜色转换材料发射的光(黄色)的颜色混合来发射白光。
作为选择，在实例5中，从GaN基半导体发光装置发出的光是蓝光，而且从颜色转换材料发出的光是绿光和红光，从而通过GaN基半导体发光装置发射的光(蓝色)与颜色转换材料发射的光(绿色和红色)的颜色混合来发射白光。具体地讲，发射绿光的颜色转换材料包括发射绿光的荧光粒子SrGa2S4:Eu，其被从GaN基半导体发光装置发出的蓝光激活；发射红光的颜色转换材料包括发射红光的荧光粒子CaS:Eu，其被从GaN基半导体发光装置发出的蓝光激活。
在实例5的光照明器中，GaN基半导体发光装置，例如，可以由在实例1中描述的驱动电路26驱动，而发光装置的亮度(发光度)可以通过控制驱动电流的峰值、驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来控制。在此情况下，可以通过与使用实例1到4中描述的相同的GaN基半导体发光装置来抑制大的发射波长偏移，因此稳定该GaN基半导体发光装置的发射波长。
实例6实例6涉及根据本发明第一实施例的图像显示装置。该实例6的图像显示装置包括用以显示图像的GaN基半导体发光装置。该GaN基半导体发光装置(发光二极管)的基本构造和结构与实例1到4中的描述相同。即，该GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层15；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中阱层设置在有源层15中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧的阱层密度。
在实例6的图像显示装置中，可以控制用以显示图像的GaN基半导体发光装置的工作电流密度(或驱动电流)，而且可以控制以驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度以控制显示图像的亮度(发光度)。即，与传统技术相比增加了亮度的控制参数的数量，因此允许更大范围的亮度控制。因此可以获得亮度的大的动态范围。具体地讲，例如，可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值来控制整个图像显示装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来精细地控制亮度。反之，可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来整个图像显示装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值来精细地控制亮度。在此情况下，可以通过使用与实例1到4中描述的相同的GaN基半导体发光装置来抑制大的发射波长偏移，因此稳定该GaN基半导体发光装置的发射波长。
实例6的图像显示装置的实例包括具有以下描述构造和结构的图像显示装置。除非另外说明，构成图像显示装置或发光装置板的GaN基半导体发光装置的数量可以根据对图像显示装置所需要的规格来决定。
根据实施例1A的图像显示装置无源矩阵型、直观型图像显示装置，包括(α)包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置1的发光装置板50；其中每个GaN基半导体发光装置1的发射状态可以通过控制每个GaN基半导体发光装置1的发射/非发射状态来直接观察以显示图像。
图21A是示出包括构成该无源矩阵型、直观型图像显示装置的发光装置板50的示意图，而图21B是该发光装置板的示意性截面图，其中GaN基半导体发光装置1设置为二维矩阵。每个GaN基半导体发光装置1的一个电极(p型电极或n型电极)连接到列驱动器41上，而每个GaN基半导体发光装置1的另一个电极(n型电极或p型电极)连接到行驱动器42上。每个GaN基半导体发光装置1的发射/非发射状态通过例如行驱动器42控制，而且驱动每个GaN基半导体发光装置1的驱动电流从列驱动器41提供。列驱动器41的一项功能与实例1中的驱动电路26相同。由于每个GaN基半导体发光装置1可以使用已知的方法选择和驱动，故省略详细的描述。
发光装置板50包括支撑51，其包括例如印刷电路板；安装在该支撑51上的GaN基半导体发光装置1；形成在该支撑51上的X方向布线52，其电连接到GaN基半导体发光装置1的电极(p型电极或n型电极)且连接到列驱动器41上或行驱动器42上；Y方向布线53，其电连接到GaN基半导体发光装置1的另一个电极(n型电极或p型电极)且连接到行驱动器42上或列驱动器41上；覆盖GaN基半导体发光装置1的透明衬底；和提供在透明衬底54上的微型透镜55。但是，该发光装置板50不限于此构造。
根据实施例1A的图像显示装置有源矩阵型、直观型图像显示装置，包括(α)包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置1的发光装置板；其中可以通过控制GaN基半导体发光装置1的发射/非发射状态来直接观察每个GaN基半导体发光装置1的发射状态以显示图像。
图22是示出包括构成有源矩阵型直观图像显示装置的发光装置板的示意图。每个GaN基半导体发光装置1的一个电极(p型电极或n型电极)连接到与列驱动器43或行驱动器44相连接的驱动器45上。每个GaN基半导体发光装置1的另一个电极(n型电极或p型电极)连接到地线上。每个GaN基半导体发光装置1的发射/非发射状态通过例如选择驱动器45的行驱动器44控制，而且驱动每个GaN基半导体发光装置1的发光信号从列驱动器43提供。当预定的电压从图中未示出的电源分别提供到每个驱动器45上时，驱动器45根据照明信号(基于PDM控制或PWM控制)向GaN基半导体发光装置1提供驱动电流。该列驱动器43一项功能与实例1中的驱动电路26相同。由于每个GaN基半导体发光装置1可以使用已知的方法选择和驱动，故省略详细的描述。
根据实施例1B的图像显示装置无源矩阵型或有源矩阵型、投影型图像显示装置，包括(α)包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置1的发光装置板50；其中可以控制每个GaN基半导体发光装置1的发射/非发射状态以投影在屏幕上来显示图像。
包括构成该无源矩阵型图像显示装置的发光装置板的示意图与图21A所示的示意图相同，而包括构成该有源矩阵型图像显示装置的发光装置板的示意图与图22所示的示意图相同。因此，省略详细的描述。图23是该发光装置板50的概念图，其中GaN基半导体发光装置1设置为二维矩阵。从该发光装置板50发射的光通过投射透镜56投射到屏幕上。由于该发光装置板50的构造和结构与图21B中描述的相同，故省略详细的描述。
根据实施例1C的图像显示装置彩色显示、直观型或投影型图像显示装置，包括(α)包括设置为二维矩阵的发射红光的半导体发光装置1R(例如，AlGaInP基半导体发光装置或GaN基半导体发光装置)的红色发光装置板50R；(β)包括设置为二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光装置1G的绿色发光装置板50G；(γ)包括设置为二维矩阵的发射蓝光的GaN基半导体发光装置1B的蓝色发光装置板50B；和(δ)在光路中从红色发光装置板50R、绿色发光装置板50G和蓝色发光装置板50B中聚集发射光的装置(例如，二向色棱镜57)；其中控制发射红光的半导体发光装置50R，发射绿光的半导体发光装置50G和发射蓝光的半导体发光装置50B每个的发射/非发射状态。
包括构成该无源矩阵型图像显示装置的发光装置板的示意图与图21A所示的示意图相同，而包括构成该有源矩阵型图像显示装置的发光装置板的示意图与图22所示的示意图相同。因此，省略详细的描述。图24是发光装置板50R、50G和50B的概念图，其中GaN基半导体发光装置1R、1G和1B分别设置为二维矩阵。从该发光装置板50R、50G和50B发射的光入射到二向色棱镜57上以被转换成一个光路。在直观型图像显示装置中，光是直接观察到的，而在投影型图像显示装置中，光通过投影透镜56投射到屏幕上。由于该发光装置板50R、50G和50B每个的构造和结构与参照图21B描述的发光装置板50相同，故省略详细的描述。
在该图形显示装置中，分别构成发光装置板50R、50G和50B的半导体发光装置1R、1G和1B优选地为实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。但是，根据情况，例如，构成发光装置板50R的半导体发光装置1R可以是AlGaInP基化合物半导体发光二极管，而构成发光装置板50G和50B的半导体发光装置1G和1B分别可以是实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。
根据实施例1D的图像显示装置直观型或投影型图像显示装置，包括(α)GaN基半导体发光装置101；和(β)作为用以控制GaN基半导体发光装置101发射的光的传输/非传输的光阀的光传输控制器(例如，包括高温多晶硅型薄膜晶体管的液晶显示器58，这可以应用于下面的描述)；
其中通过作为光传输控制器的液晶显示装置58来控制GaN基半导体发光装置101发射的光的传输/非传输以显示图像。
GaN基半导体发光装置的数量可以根据该图像显示装置所需要的规格来决定，而且可以是1个或多个。在如图25所示的图像显示装置概念图的实例中，GaN基半导体发光装置101的数量为1，而且该GaN基半导体发光装置101安装在散热器102上。从GaN基半导体发光装置101发射的光由光引导构件59所导引并入射到液晶显示装置58上，该光引导构件59包括由透明材料例如硅酮树脂、环氧树脂或聚碳酸酯树脂构成的光引导构件和例如镜面的反射器。在直观型图像显示装置中，从液晶显示装置58发射的光可以被直接观察到，而在投影型图像显示装置中，光通过投射透镜56投射到屏幕上。GaN基半导体发光装置101可以是实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。
该图像显示装置可以包括发射红光的半导体发光装置101R(例如，AlGaInP基半导体发光装置或GaN基半导体发光装置)；光传输控制器(例如，液晶显示装置58R)，其作为光阀用于控制从发射红光的半导体发光装置101R发射的光的传输/非传输；发射绿光的GaN基半导体发光装置101G；光传输控制器(例如，液晶显示装置58G)，其作为光阀用于控制从发射绿光的GaN基半导体发光装置101G发射的光的传输/非传输；发射蓝光的GaN基半导体发光装置101B；光传输控制器(例如，液晶显示装置58B)，其作为光阀用于控制从发射蓝光的GaN基半导体发光装置101B发射的光的传输/非传输；光引导构件59R、59G和59B，用于分别引导从GaN基半导体发光装置101R、101G和101B中发射的光；和在一个光路中聚集光的装置(例如，二向色棱镜57)。在此情况下，可以得到彩色显示、直观型或投影型图像显示装置。其概念图示于图26中的实例对应于彩色显示、投影型图像显示装置。
在此图像显示装置中，半导体发光装置101R、101G和101B优选地为实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。但是，根据情况，例如，半导体发光装置101R可以是AlGaInP基化合物半导体发光二极管，而半导体发光装置101G和101B分别可以是实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。
根据实施例1E的图像显示装置直观型或投影型图像显示装置，包括(α)包括设置为二维矩阵的GaN基发光装置的发光装置板50；和(β)用于控制从GaN基半导体发光装置1发射的光的传输/非传输的光传输控制器(液晶显示装置58)；其中可以通过光传输控制器(液晶显示装置58)来控制GaN基半导体发光装置101发射的光的传输/非传输以显示图像。
图27是示出发光装置板50的概念图。该发光装置板50的构造和结构可以与参照图21B描述的发光装置板50的相同，故省略详细的描述。该发光装置板50发射的光的传输/非传输和亮度通过操作液晶显示装置58来控制。因此，构成该发光装置板50的GaN基半导体发光装置101可以被持续发光或反复发光并且可以在适当的周期不发光。从该发光装置板50发射的光入射到液晶显示装置58上。在直观型图像显示装置中，从液晶显示装置58发射的光可以被直接观察到，而在投影型图像显示装置中，光通过投射透镜56投射到屏幕上。
根据实施例1F的图像显示装置彩色显示、直观型或投影型图像显示装置，包括(α)包括设置为二维矩阵的发射红光的半导体发光装置1R(例如，AlGaInP基半导体发光装置或GaN基半导体发光装置)的红色发光装置板50R，和用于控制从该红色发光装置板50R发射的光的传输/非传输的红光传输控制器(液晶显示装置58R)；(β)包括设置为二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光装置1G的绿色发光装置板50G，和用于控制从该绿色发光装置板50G发射的光的传输/非传输的绿光传输控制器(液晶显示装置58G)；(γ)包括设置为二维矩阵的发射蓝光的GaN基半导体发光装置1B的蓝色发光装置板50B，和用于控制从该蓝色发光装置板50B发射的光的传输/非传输的蓝光传输控制器(液晶显示装置58B)；(δ)在光路中聚集通过红光传输控制器58R、绿光传输控制器58G和蓝光传输控制器58B所传输的光的装置(例如，二向色棱镜57)；其中分别通过光传输控制器58R、58G和58B控制从发光装置板50R、50G和50B发射光的传输/非传输以显示图像。
图28是发光装置板50R、50G和50B的概念图，其分别包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置1R、1G和1B。从发光装置板50R、50G和50B发射的光的传输/非传输分别通过光传输控制器58R、58G和58B控制。光入射到二向色棱镜57上以被聚集在一个光路中。在直观型图像显示装置中，光可以直接观察到，而在投影型图像显示装置中，光通过投射透镜56投射到屏幕上。发光装置板50R、50G和50B每个的构造和结构可以与参照图21B描述的发光装置板50相同，故省略详细的描述。
在该图像显示装置中，分别构成发光装置板50R、50G和50B的半导体发光装置1R、1G和1B优选地为实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。但是，根据情况，例如，构成发光装置板50R的半导体发光装置1R可以是AlGaInP基化合物半导体发光二极管，而分别构成发光装置板50G和50B的半导体发光装置1G和1B可以是实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。
根据实施例1G的图像显示装置场序系统、彩色显示图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)发射红光的半导体发光装置1R(例如，AlGaInP基半导体发光装置或GaN基半导体发光装置)；(β)发射绿光的GaN基半导体发光装置1G；(γ)发射蓝光的GaN基半导体发光装置1B；(δ)在光路中聚集从发射红光的半导体发光装置1R、发射绿光的GaN基半导体发光装置1G和发射蓝光的GaN基半导体发光装置1B发射光的装置(例如，二向色棱镜57)；和(ε)在光路中用于控制从聚集光的装置(二向色棱镜57)中发射的光的传输/非传输的光传输控制器(液晶显示装置58)；其中通过光传输控制器58来控制从每个发光装置中发射的光的传输/非传输以显示图像。
图29是半导体发光装置101R、101G和101B的概念图。从半导体发光装置101R、101G和101B发射的光入射到二向色棱镜57上以聚集在一个光路中。通过光传输控制器58来控制从二向色棱镜57中发射的光的传输/非传输。在直观型图像显示装置中，光可以被直接观察到，而在投影型图像显示装置中，光通过投射透镜56投射到屏幕上。在该图像显示装置中，半导体发光装置101R、101G和101B优选地为实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。但是，根据情况，例如，半导体发光装置101R可以是AlGaInP基化合物半导体发光二极管，而半导体发光装置101G和101B可以是实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。
根据实施例1H的图像显示装置场序系统、彩色显示图像显示装置(直观型或投影型)，包括(α)包括设置为二维矩阵的发射红光的半导体发光装置1R(例如，AlGaInP基半导体发光装置或GaN基半导体发光装置)的红色发光装置板50R；(β)包括设置为二维矩阵的发射绿光的GaN基半导体发光装置1G的绿色发光装置板50G；(γ)包括设置为二维矩阵的发射蓝光的GaN基半导体发光装置1B的蓝色发光装置板50B；(δ)用于在光路中聚集从红色发光装置板50R、绿色发光装置板50G和蓝色发光装置板50B中发射的光的装置(例如，二向色棱镜57)；和(ε)用于在光路中控制聚集光的装置(二向色棱镜57)中发射的光的传输/非传输的光传输控制器(液晶显示装置58)；其中通过液晶显示装置58控制从红色发光装置板50R、绿色发光装置板50G和蓝色发光装置板50B发射光的传输/非传输以显示图像。
图30是分别包括设置为二维矩阵的GaN基半导体发光装置1R、1G和1B的发光装置板50R、50G和50B的概念图。从发光装置板50R、50G和50B发射的光入射在二向色棱镜57上以聚集在一个光路中。通过光传输控制器58来控制从二向色棱镜57中发射的光的传输/非传输。在直观型图像显示装置中，光可以被直接观察到，而在投影型图像显示装置中，光通过投射透镜56投射到屏幕上。发光装置板50R、50G和50B每个的构造和结构可以与参照图21B描述的发光装置板50相同，故省略详细的描述。
在该图像显示装置中，分别构成发光装置板50R、50G和50B的半导体发光装置1R、1G和1B优选地为实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。但是，根据情况，例如，构成发光装置板50R的半导体发光装置1R可以是AlGaInP基化合物半导体发光二极管，分别构成构成发光装置板50G和50B的半导体发光装置1G和1B可以是实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。
实例7实例7涉及根据本发明第二实施例的图像显示装置。实例7的图像显示装置包括用以显示彩色图像的发光装置单元UN，该发光装置单元设置为二维矩阵而且其每个都包括发射蓝光的第一发光装置、发射绿光的第二发光装置和发射红光的第三发光装置。构成该第一发光装置、第二发光装置和第三发光装置中至少一个的GaN基半导体发光装置(发光二极管)具有与实例1至4中的描述相同的构造和结构。即该GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层13；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层15；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层17；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧的阱层密度。
在该图像显示装置中，该第一发光装置、第二发光装置和第三发光装置中任何一个可以是实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1。根据情况，例如，发射红光的装置可以是AlGaInP基化合物半导体发光二极管。
在实例7的图像显示装置中，除了控制GaN基半导体发光装置的工作电流密度(或驱动电流)之外还通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来控制显示图像的亮度(发光度)，用以显示图像。因此，与传统技术相比增加了亮度的控制参数的数量，因而允许更大范围的亮度控制。即，可以获得大动态范围的亮度。具体地讲，例如，可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值电流来控制整个图像显示装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来精细地控制亮度。反之，可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来控制整个图像显示装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值电流来精细地控制亮度。此外，通过使用与实例1到4中描述的相同的GaN基半导体发光装置，可以抑制大的发射波长偏移，以稳定GaN基半导体发光装置的发射波长。
实例7的图像显示装置的实例包括具有以下描述构造和结构。发光装置的数量可以根据该图像显示装置的所需要的规格来决定。
根据实施例2A和2B的图像显示装置在无源矩阵型或有源矩阵型、直观彩色显示图像显示装置中，控制第一、第二和第三发光装置中的每一个的发射/非发射状态以直接观察每个发光装置的发射状态并显示图像。在无源矩阵型或有源矩阵型、投影彩色显示图像显示装置中，控制第一、第二和第三发光装置中的每一个的发射/非发射状态以通过投影到屏幕上来显示图像。
图31是示出包括构成该有源矩阵型、直观彩色显示图像显示装置的发光装置板的示意图。每个GaN基半导体发光装置1(在图31中，发射红光的半导体装置表示为“R”，发射绿光的半导体装置表示为“G”，而蓝色发光半导体装置表示为“B”)的一个电极(p型电极或n型电极)连接到与列驱动器43或行驱动器44相连接的驱动器45上。每个GaN基半导体发光装置1的另一个电极(n型电极或p型电极)连接到地线上。每个GaN基半导体发光装置1的发射/非发射状态通过例如选择驱动器45的行驱动器44控制，而且用于驱动每个GaN基半导体发光装置1的照明信号从列驱动器43提供。当预定电压从图中未示出的电源分别提供到每个驱动器45上时，驱动器45根据照明信号(基于PDM控制或PWM控制)向GaN基半导体发光装置1提供驱动电流。该列驱动器43的一项功能与实例1中的驱动电路26相同。发射红光的半导体装置R、发射绿光的半导体装置G和蓝色发光半导体装置B中的每一个由驱动器45选择。发射红光的半导体装置R、发射绿光的半导体装置G和蓝色发光半导体装置B的发射/非发射状态可以时分控制或同时控制。由于每个GaN基半导体发光装置可以由已知的方法选择和驱动，故省略详细的描述。在直观型图像显示装置中，光可以被直接观察到，而在投影型图像显示装置中，光通过投射透镜56投射到屏幕上。
根据实施例2C的图像显示装置场序系统、彩色显示直观型或投影型图像显示装置，其包括用于控制从设置为二维矩阵的每个发光单元发射的光的传输/非传输的光传输控制器(例如，液晶显示装置)，其中该发光装置单元中的第一、第二和第三发光装置中的每一个的发射/非发射状态可以时分控制，而且该第一、第二和第三发光装置中的每一个的传输/非传输由光传输控制器控制以显示图像。
该图像显示装置的概念图与图23所示的相同。在直观型图像显示装置中，光可以被直接观察到，而在投影型图像显示装置中，光通过投射透镜投射到屏幕上。
实例8实例8涉及本发明的平面光源装置和液晶显示组件(具体而言，彩色液晶显示组件)。实例8的平面光源装置是用于照射透射式或透反式彩色液晶显示装置的背部的平面光源装置。实例8的彩色液晶显示组件是包括透射式或透反式液晶彩色显示装置和用于照射彩色显示装置背部的平面光源装置的彩色液晶显示组件。
用作平面光源装置的光源的GaN基半导体发光装置(发光二极管)具有与实例1至4中的描述相同的基本构造和结构。即该GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层13；(B)具有包括阱层和介于阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层15；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层17；其中该阱层设置在该有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为有源层中第一GaN基化合物半导体层侧的阱层密度，而d2为第二GaN基化合物半导体层侧的阱层密度。
在实例8的平面光源装置中，可以通过控制作为光源的GaN基半导体发光装置的工作电流密度(或驱动电流)以及驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度，来控制作为光源的GaN基半导体发光装置的亮度(发光度)。即，与传统技术相比，增加了亮度的控制参数数量，因而允许更大范围的亮度控制。因此，获得了大动态范围的亮度。具体地讲，例如，可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值电流来控制整个平面光源装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来精细地控制亮度。反之，可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来控制整个平面光源装置的亮度，并且可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值电流来精细地控制亮度。在此情况下，通过使用实例1到4中描述的相同的GaN基半导体发光装置，可以抑制大的发射波长偏移，因而稳定GaN基半导体发光装置的发射波长。
图32A是示出实例8的平面光源装置中发光装置布置和阵列状态的示意图，图32B是示出该平面光源装置和彩色液晶显示组件的示意性部分截面图，而图33是示出该彩色液晶显示组件的示意性部分截面图。
更具体地讲，实例8的彩色液晶显示组件200包括
透射式彩色液晶显示装置210，其包括(a)提供有透明第一电极244的前板220；(b)提供有透明第二电极234的后板230；(c)设置在该前板220和该后板230之间的液晶材料227；和(d)具有作为光源的半导体发光装置1R、1G和1B的平面光源装置(直观型背光)240。
平面光源装置(直接发光型背光)240与后板230相对，以辐射彩色液晶显示装置210的后板侧。
直接发光型平面光源装置240包括壳体241，其包括外框架243和内框架244。透射式彩色液晶显示装置210的各端加持在外框架243和内框架244之间，而隔离件245A和245B提供它们之间。而且，引导构件246设置在外框架243和内框架244之间以形成一种结构，其中设置在外框架243和内框架244之间的彩色液晶显示装置210没有偏离。而且，散射板251提供在壳体241的上部以通过隔离件245C和支托构件247附着到内框架244。此外，由散射片252、棱镜片253和偏转转换片254构成的光学功能片组堆叠在散射板251上。
反射片255提供在壳体241的下部。该反射片255设置成使得反射面朝向散射板251，且通过图中未显示的附着元件附着到壳体241的底部242A。反射片255包括银放大反射膜，具有其中例如银反射膜、低折射系数膜和高折射系数膜依次堆叠在基片上的结构。该反射片255反射从多个发射红光的AlGaInP基发光装置1R、多个发射绿光的GaN基半导体发光装置1G和多个蓝色发光GaN基半导体发光装置1B中发射的光，以及壳体241的侧面242B反射的光。因此，从半导体发光装置1R、1G和1B发射的红光、绿光和蓝光被混合，以得到作为照明光的高色彩纯度的白光。该照明光通过散射板251，由散射片252、棱镜片253和偏转转换片254构成的光学功能片组，被施加到彩色液晶显示装置210的后侧。
在发光装置的阵列状态中，例如，多个发光装置行可以排列在水平方向上以形成发光装置行阵列，其中每行包括一组发射红光的AlGaInP基半导体发光装置1R、多个发射绿光的GaN基半导体发光装置1G和多个蓝色发光GaN基半导体发光装置1B，而多个发光装置行阵列可以排列在竖直方向上。构成每个发光装置行的各发光装置数量例如是两个发射红光的AlGaInP基半导体发光装置、两个发射绿光的GaN基半导体发光装置和一个发射蓝光的GaN基半导体发光装置。在此情况下，发光装置排列顺序为发射红光的AlGaInP基半导体发光装置、发射绿光的GaN基半导体发光装置、发射蓝光的GaN基半导体发光装置、发射绿光的GaN基半导体发光装置和发射红光的AlGaInP基半导体发光装置。
如图33所示，构成彩色液晶显示装置210的前板220包括第一衬底221，其包括例如玻璃衬底以及提供在该第一衬底221外表面上的偏振膜226。该前板还包括提供在该第一衬底221的内表面上并覆盖有丙烯树脂或环氧树脂构成的保护层233的滤色器222，形成在该保护膜223上的透明第一电极(又称为“公共电极”且由例如ITO构成)。此外，取向膜225形成在透明第一电极224上。另一方面，更具体地讲，后板包括例如为玻璃衬底的第二衬底231、开关元件(具体地讲，薄膜晶体管TFT)232、透明第二电极(又称为“像素电极”且由ITO构成)234、提供在第二衬底231外表面上的偏振膜236，开关元件232和透明第二电极234提供在第二衬底231的内表面上使得透明第二电极234的导通/非导通可以由开关元件232控制。此外，取向膜235形成在包括透明第二电极234的整个表面上。前板220和后板230在外围区域通过密封材料(图中未示出)连接。开关元件232不限于TFT，并且例如可以使用MIM元件。在附图中，参考标号237代表提供在开关元件232之间的绝缘层。
由于构成射式彩色液晶显示装置的元件和液晶材料可以是已知的元件和材料，故省略详细的描述。
每一个发射红光的半导体发光装置1R、发射绿光的GaN基半导体发光装置1G和蓝色发光GaN基半导体发光装置1B具有图2中(A)所示的结构，并且连接到驱动电路26上。每个发光装置的驱动方法与实例1中的描述相同。
当平面光源装置分为多个区域使得每个区域被独立动态地控制时，彩色液晶显示装置的亮度动态范围还可以进一步扩大。换言之，平面光源装置对于每个图像显示帧分为多个范围，而且平面光源装置的亮度根据图像信号在每个区域中改变(例如，平面光源装置的每个区域的亮度与图像对应区域的最大亮度成比例地改变)。在此情况下，在图像的明亮区域中，平面光源装置的对应区域被照亮，而在图像的暗区域中，平面光源装置的对应区域是暗的，使得彩色液晶显示装置的对比度显著提高。而且，降低了平均功耗。在此技术中，减小平面光源装置的区域之间的色彩变化十分重要。在GaN基半导体发光装置中，制造中容易出现发光色彩的变化。但是，实例8中使用的GaN基半导体发光装置与实例1至4中描述的相同，因此可以实现区域之间发光色彩变化很小的平面光源装置。而且，除了用作光源的GaN基半导体发光装置的工作电流密度(或驱动电流)的控制之外，可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来控制用作光源的GaN基半导体发光装置的亮度(发光度)。因此，可以安全方便地进行多个划分的区域中每一个的独立动态控制。具体地讲，例如，可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值电流来控制平面光源装置每个区域的亮度，并且可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来精细地控制亮度。反之，可以通过控制驱动电流的脉冲宽度和/或脉冲密度来控制平面光源装置每个区域的亮度，并且可以通过控制驱动电流(工作电流)的峰值电流来精细地控制亮度。
实例9实例9是实例8的修改。在实例8中，平面光源装置是直接发光型的。但是，在实例9中，平面光源装置是边缘发光型的。图34是实例9的彩色液晶显示组件的概念图。实例9的彩色液晶显示装置的示意性部分截面图与图33所示的相同。
实例9的彩色液晶显示组件200A包括透射式彩色液晶显示装置210，其包括(a)有透明第一电极244的前板220；(b)有透明第二电极234的后板230；(c)设置在前板200和后板230之间的液晶材料277；和(d)用于照射彩色液晶显示装置210的后板侧的包括光导板270和光源260的平面光源装置(边缘发光型背光)250。
光导板270与后板230相对。
光源260包括例如发射红光的AlGaInP基半导体发光装置、发射绿光的GaN基半导体发光装置和蓝色发光GaN基半导体发光装置。这些半导体发光装置在图中没有示出。作为发射绿光的GaN基半导体发光装置和蓝色发光GaN基半导体发光装置，可以使用与实例1至4中相同的GaN基半导体发光装置1。构成彩色液晶显示装置210的前板220和后板230中每一个的构造和结构与参照图33描述的实例8的前板220和后板230的相同，故省略详细的描述。
例如，聚合碳酸树脂构成的光导板270具有第一表面(底部)271、与第一表面271相对的第二表面(顶部)273、第一侧面274、第二侧面275，与第一侧面274相对的第三侧面276和与第二侧面274相对的第四侧面。该光导板270形状的具体实例总体上为截头楔形四棱柱形。在此情况下，该截头四棱柱的两个相对面对应于第一和第二表面271和273，而截头四棱柱形的底部对应于第一侧面274。另外，优选地在第一表面271上提供不规则部分272。该光导板270的连续的不规则部分沿垂直于该光导板270的入射方向上第一表面的虚拟平面具有三角截面形状。换言之，提供在第一表面271上的不规则部分272为棱柱形。该光导板270的第二表面273可以是光滑的(即，镜面)或者可以提供有散射作用的褶皱(即，细的不规则表面)。而且，反射元件281相对于光导板270的第一表面271设置。彩色液晶显示装置210相对光导板270的第二表面273设置。而且，散射片282和棱镜片283设置在彩色液晶显示装置210与光导板270的第二表面273之间。从光源260发出的光从第一侧面274(例如，对应于截头四棱柱的底部)入射到该光导板270上，与第一表面271上的不规则部分碰撞而散射，从第一表面271射出，被反射元件281反射，再入射到第一表面271上，从第二表面273射出，并通过散射片282和棱镜片283以照射彩色液晶显示装置210。
尽管以上根据优选实例对本发明进行了描述，但是本法明不限于这些实例。每个实例中所描述的GaN基半导体发光装置的构造和结构，以及其中每个都包含GaN基半导体发光装置的光照明装置、图像显示装置、平面光源装置和彩色液晶显示组件都是说明性的，而且构成这些装置的元件和材料也是说明性的。因此可以做适当的改变。GaN基半导体发光装置中层叠顺序可以颠倒。直观型图像显示装置中可以是其中图像投影到人视网膜上的类型。在每个实例中，n型电极和p型电极形成在GaN基半导体发光装置的同一侧(上侧)。然而，作为选择，衬底10是分开的，而且n型电极和p型电极可以分别形成在GaN基半导体发光装置的不同侧，即下侧和上侧。而且，银或铝反射电极可以用作替代透明电极的电极，而且长边(长直径)和短边(短直径)可以改变。
图35是包括具有倒装片结构LED的GaN基半导体发光装置1的示意性截面图。但是，在图35中，省略了每个组件的斜线。GaN基半导体发光装置1的层结构可以与实例1至4中描述的GaN基半导体发光装置1的相同。每层的侧边覆盖有钝化层305，n型电极19A形成在第一GaN基化合物半导体层13的暴露部分，而也用作光反射层的p型电极19B形成在Mg掺杂GaN层18上。GaN基半导体发光装置1的下部分由SiO2层304和铝层303围绕。而且，p型电极19B和铝层303分别由焊料层301和302固定到子固定架21上。在此结构中，优选地满足以下关系0.5(λ/n0)≤L≤(λ/n0)其中L为从有源层15到还用作光反射层的p型电极19B的距离，n0为有源层15与p型电极19B之间的化合物半导体层的折射率，而λ为发射波长。
另外，半导体激光器可以使用该GaN基半导体发光装置形成。这种半导体激光器的层结构的实例包括下面的按顺序堆叠在GaN衬底上的各层。发射波长约为450nm。
(1)厚度为3μm的硅掺杂GaN层(掺杂浓度为5×1018/cm3)；(2)总厚度为1μm的超晶格层(250个层对的堆叠结构，其中每对包括厚度为2.4nm的硅掺杂Al0.1Ga0.9N层和厚度为1.6nm的硅掺杂GaN层，掺杂浓度为5×1018/cm3)；(3)厚度为150nm的硅掺杂In0.03Ga0.97N层(掺杂浓度为5×1018/cm3)；(4)厚度为5nm未掺杂In0.03Ga0.97N层；(5)具有多量子阱结构的有源层(厚度为3nm的In0.15Ga0.85N阱层/厚度为15nm的In0.03Ga0.97N势垒层/厚度为3nm的In0.15Ga0.85N阱层/厚度为5nm的In0.03Ga0.97N势垒层/厚度为3nm的In0.15Ga0.85N阱层/厚度为5nm的In0.03Ga0.97N势垒层/厚度为3nm的In0.15Ga0.85N阱层)；(6)厚度为10nm未掺杂GaN层；(7)总厚度为20nm的超晶格层(5个层对的堆叠结构，其中每对包括厚度为2.4nm的镁掺杂Al0.2Ga0.8N层和厚度为1.6nm的镁掺杂GaN层，掺杂浓度为5×1019/cm3)；(8)厚度为120nm的镁掺杂GaN层(掺杂浓度为1×1019/cm3)；(9)总厚度为500nm的超晶格层(125个层对的堆叠结构，其中每对包括厚度为2.4nm的镁掺杂Al0.1Ga0.9N层和厚度为1.6nm的镁掺杂GaN层，掺杂浓度为5×1019/cm3)；(10)厚度为20nm的镁掺杂GaN层(掺杂浓度为1×1020/cm3)。
(11)厚度为5nm的镁掺杂In0.15Ga0.85N层(掺杂浓度为1×1020/cm3)。
AlGaInP基半导体发光装置和GaN基半导体发光装置的温度特性(温度-发射波长关系)可以预先确定，从而在平面光源装置或彩色液晶显示组件中的AlGaInP基半导体发光装置和GaN基半导体发光装置的温度可以监控。在此情况下，可以实现提供电源后AlGaInP基半导体发光装置和GaN基半导体发光装置的发射波长的稳定运行。
上面描述的驱动电路26不仅可以应用于本发明的GaN基半导体发光装置，还可以应用于具有传统构造和结构的GaN基半导体发光装置(例如，比较实例1中描述的GaN基半导体发光装置)。
作为驱动电路，也可以使用日本未审查专利申请2003-22052号中揭示的驱动电路。该驱动电路包括发射波长校正机构和亮度校正机构，该发射波长校正机构用于通过控制提供到GaN基半导体发光装置来校正多个GaN基半导体发光装置之间的发射波长变化，该亮度校正机构用于校正GaN基半导体发光装置之间的亮度变化。该发射波长校正机构包括对每个待驱动GaN基半导体发光装置提供的电流镜电路(current mirror circuit)，以致通过该电流镜电路控制每个GaN基半导体发光装置中流动的电流。通过控制流经并联的多个有源元件的电流来控制电流反射镜的参考侧上流过的电流。该亮度校正机构包括向每个待驱动的GaN基半导体发光装置提供电流的恒流电路，并且控制该恒流电路的开关元件的离合。
权利要求
1.一种GaN基半导体发光装置，包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于所述阱层之间进行分隔的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在所述有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为所述第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
2.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中满足下面的关系500(nm)≤λ2≤550(nm)0≤|λ2-λ3|≤5(nm)其中λ2(nm)是当工作电流密度为30A/cm2时所述有源层的发射波长，而λ3(nm)是当工作电流密度为300A/cm2时所述有源层的发射波长。
3.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中满足下面的关系500(nm)≤λ2≤550(nm)0≤|λ1-λ2|≤10(nm)0≤|λ2-λ3|≤5(nm)其中λ1(nm)是当工作电流密度为1A/cm2时所述有源层的发射波长，λ2(nm)是当工作电流密度为30A/cm2时所述有源层的发射波长，而λ3(nm)是当工作电流密度为300A/cm2时所述有源层的发射波长。
4.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中满足下面的关系430(nm)≤λ2≤480(nm)0≤|λ2-λ3|≤2(nm)其中λ2(nm)是当工作电流密度为30A/cm2时所述有源层的发射波长，而λ3(nm)是当工作电流密度为300A/cm2时所述有源层的发射波长。
5.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中满足下面的关系430(nm)≤λ2≤480(nm)0≤|λ1-λ2|≤5(nm)0≤|λ2-λ3|≤2(nm)其中λ1(nm)是当工作电流密度为1A/cm2时所述有源层的发射波长，λ2(nm)是当工作电流密度为30A/cm2时所述有源层的发射波长，而λ3(nm)是当工作电流密度为300A/cm2时所述有源层的发射波长。
6.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中当所述有源层的总厚度是t0时，在从所述第一GaN基化合物半导体层侧的界面到所述有源层中的(t0/3)厚度范围内的有源层第一区域中的阱层密度是d1，而在从所述第二GaN基化合物半导体层侧的界面到所述有源层中的(2t0/3)厚度范围内的有源层第二区域中的阱层密度是d2，所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2。
7.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中当所述有源层的总厚度是t0时，在从所述第一GaN基化合物半导体层侧的界面到所述有源层中的(t0/2)厚度范围内的有源层第一区域中的阱层密度是d1，而在从所述第二GaN基化合物半导体层侧的界面到所述有源层中的(t0/2)厚度范围内的有源层第二区域中的阱层密度是d2，所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2。
8.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中当所述有源层的总厚度是t0时，在从所述第一GaN基化合物半导体层侧的界面到所述有源层中的(t0/3)厚度范围内的有源层第一区域中的阱层密度是d1，而在从所述第二GaN基化合物半导体层侧的界面到所述有源层中的(2t0/3)厚度范围内的有源层第二区域中的阱层密度是d2，所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2。
9.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中所述阱层设置在所述有源层中以满足关系1.2＜d2/d1≤10。
10.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中所述势垒层的厚度从所述第一GaN基化合物半导体层侧到所述第二GaN基化合物半导体层侧变化。
11.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中所述势垒层的厚度分三步或更多步从所述第一GaN基化合物半导体层侧到所述第二GaN基化合物半导体层侧变化。
12.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中最靠近所述第二GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度为20nm或更小。
13.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中最靠近所述第一GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度是最靠近所述第二GaN基化合物半导体层侧的势垒层的厚度的两倍或更多。
14.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中所述有源层包含铟原子。
15.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中在所述有源层中的阱层的数量为4个或更多。
16.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，还包括(D)包含铟原子并形成在所述第一GaN基化合物半导体层和所述有源层之间的下层；和(E)包含p型杂质并形成在所述有源层与所述第二GaN基化合物半导体层之间的超晶格层。
17.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中构成所述有源层的GaN基化合物半导体层由未掺杂GaN基化合物半导体层构成，或者构成所述有源层的GaN基化合物半导体层的n型掺杂浓度小于2×1017/cm3。
18.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中所述有源层的短边长度或短直径的长度为0.1mm或更小。
19.根据权利要求1的GaN基半导体发光装置，其中所述有源层的短边长度或短直径的长度为0.03mm或更小。
20.一种光照明器，包括GaN基半导体发光装置和颜色转换材料，其中从所述GaN基半导体发光装置发出的光入射到所述颜色转换材料上，而且所述颜色转换材料发射的光的波长不同于所述GaN基半导体发光装置发射的光的波长，所述GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于所述阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在所述有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为在所述第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
21.根据权利要求20的光照明器，其中从所述GaN基半导体发光装置发出的光是蓝光，而且从所述颜色转换材料发出的光是从由黄光、绿光和红光构成的组中选出的至少一种类型的光。
22.根据权利要求20的光照明器，其中从所述GaN基半导体发光装置发射的光与从所述颜色转换材料发射的光的颜色被混合以发射白光。
23.一种图像显示装置，包括用以显示图像的GaN基半导体发光装置，所述GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于所述阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在所述有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为在所述第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
24.一种图像显示装置，包括用以显示彩色图像的发光装置单元，所述发光装置单元设置为二维矩阵而且每一个都包括发射蓝光的第一发光装置、发射绿光的第二发光装置和发射红光的第三发光装置，构成所述第一发光装置、所述第二发光装置和所述第三发光装置中至少一个的GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于所述阱层之间起隔离作用的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在所述有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为在所述第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
25.根据权利要求23或24的图像显示装置，还包括光阀。
26.根据权利要求23或24的图像显示装置，其中所述有源层的短边长度或短直径的长度为0.1mm或更小。
27.根据权利要求23或24的图像显示装置，其中所述有源层的短边长度或短直径的长度为0.03mm或更小。
28.一种平面光源装置，用于照射透射式或透反式液晶显示装置的背面，所述平面光源装置包括作为光源提供的GaN基半导体发光装置，所述GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于所述阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在所述有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为在所述第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
29.一种液晶显示组件，包括透射式或透反式液晶显示装置和用于照射所述液晶显示装置的背面的平面光源装置，作为光源提供在所述平面光源装置中的GaN基半导体发光装置包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层；(B)具有包括阱层和介于所述阱层之间进行隔离的势垒层的多量子阱结构的有源层；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层；其中所述阱层设置在所述有源层中以满足关系d1＜d2，其中d1为在所述有源层中的第一GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度，而d2为在所述第二GaN基化合物半导体层侧上的阱层密度。
全文摘要
一种GaN基半导体发光装置，包括(A)具有n型导电性的第一GaN基化合物半导体层(13)；(B)具有包括阱层和介于阱层之间起分隔作用的势垒层的多量子阱结构的有源层(15)；和(C)具有p型导电性的第二GaN基化合物半导体层(17)。该阱层设置在该有源层中以满足关系d
文档编号G02F1/1335GK101091262SQ20068000157
公开日2007年12月19日 申请日期2006年9月8日 优先权日2005年9月13日
发明者琵琶刚志, 奥山浩之 申请人:索尼株式会社