(57)【要約】【課題】逆バイアス印加時に発生する漏洩電流を抑制することができるＧａＮ系半導体素子及びこれを用いた光学装置、画像表示装置を提供すること。【解決手段】ＧａＮ系半導体素子は、ｎ型の導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層と、ｐ型の導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物層と、第１ＧａＮ系化合物層と第２ＧａＮ系化合物層との間に形成された活性層とを有し、第１ＧａＮ系化合物層は、Ｓｉドーピング濃度（原子／ｃｍ3）が３×１０183以上、３×１０19以下である下地層を含み、逆方向バイアスが印加された場合に、活性層の漏洩電流密度（Ａ／ｃｍ2）が２×１０-5以下である。Ｓｉドーピング濃度をより好ましくは、４×１０18、８×１０18、１×１０19以上とすることによって、漏洩電流密度を８×１０-6、１×１０-6、６×１０-7以下とすることができる。ＧａＮ系半導体素子を発光素子として構成して、これを光学装置、画像表示装置に用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型の導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層と、
ｐ型の導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物層と、
前記第１ＧａＮ系化合物層と前記第２ＧａＮ系化合物層との間に形成された活性層と
を有し、前記第１ＧａＮ系化合物層は、ｎ型の不純物濃度が３×１０18／ｃｍ3以上、３×１０19／ｃｍ3以下である下地層を含み、５Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、前記活性層の単位面積当りに流れる電流の密度である漏洩電流密度が２×１０-5Ａ／ｃｍ2以下である、窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項２】
前記下地層のｎ型の不純物濃度が４×１０18／ｃｍ3以上であり、前記漏洩電流密度が８×１０-6Ａ／ｃｍ2以下である、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項３】
前記下地層のｎ型の不純物濃度が８×１０18／ｃｍ3以上であり、前記漏洩電流密度が１×１０-6Ａ／ｃｍ2以下である、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項４】
前記下地層のｎ型の不純物濃度が１×１０19／ｃｍ3以上であり、前記漏洩電流密度が６×１０-7Ａ／ｃｍ2以下である、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項５】
前記下地層及び前記活性層はＩｎを含有するＧａＮ系化合物から構成され、前記下地層を構成する前記ＧａＮ系化合物におけるＩｎ組成割合は０．００５以上であり、前記活性層を構成する前記ＧａＮ系化合物におけるＩｎ組成割合よりも低い、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項６】
前記下地層の厚さが５ｎｍ以上、５μｍ以下である、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項７】
前記下地層の厚さが２０ｎｍ以上、１μｍ以下である、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項８】
前記第２ＧａＮ系化合物層は、ｐ型の不純物がドープされた厚さが１００ｎｍ以上であるＧａＮ層を含む、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項９】
発光素子として構成された、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９の何れか１項に記載の窒化ガリウム系半導体素子の複数が２次元マトリックス状に配列された光学装置であって、第１方向の各行に配列された複数の前記窒化ガリウム系半導体素子の第１の電極が前記第１方向の各行の共通配線に接続され、第２方向の各列に配列された複数の前記窒化ガリウム系半導体素子の第２の電極が前記第２方向の各列の共通配線に接続された、光学装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光学装置によって画素部が構成され、前記窒化ガリウム系半導体素子がパッシブマトリックス駆動される、画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子及びこれを用いた光学装置並びにこれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体からなる活性層を備えた発光素子（ＧａＮ系半導体発光素子）は、活性層の混晶組成や厚さによってバンドギャップエネルギーを制御することによって、紫外から赤外までの広い範囲での発光波長を実現し得る。既に、種々の色を発光するＧａＮ系半導体発光素子が市販されており、画像表示装置、照明装置、検査装置用光源、消毒装置用光源、医療検査装置用光源等の幅広い用途に用いられている。また、青紫色を発光する半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）も開発されており、大容量光ディスクの書込みや読取り用のピックアップとして使用されている。
【０００３】
一般に、ＧａＮ系半導体発光素子は、ｎ型の導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、及び、ｐ型の導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層が、基板上に順次積層された構造を有する。
【０００４】
以下、従来技術におけるＧａＮ系半導体発光素子について説明する。
“Effect of the growth rate and the barrier doping on the morphology and the properties of InＧａＮ/ＧａＮ quantum wells”と題する後述の非特許文献１に、以下の記載がある。
【０００５】
ＧａＮ障壁のＳｉドーピングを０から３×１０19ｃｍ-3へ変化させた。障壁のＳｉドーピングの増加に伴う超格子周期のわずかな減少の他に、高分解能Ｘ線回折は、第１次及び第２次超格子ピークのＦＷＨＭ（full-width at half maximumｍ）の有意な狭小化、無ドープの多重量子井戸及び最も高濃度レベル３×１０19ｃｍ-3に対してそれぞれ、３１２から２１２及び５８９から２３４arcsecへの狭小化を示した。
【０００６】
“Electromigration-induced failure of ＧａＮ multi-quantum well light emitting diode”と題する後述の非特許文献２に、ＧａＮ ＭＱＷ ＬＥＤの寿命は、電界拡散誘起欠陥（electromigration-induced failure）モデルから外挿できることの記載がある。
【０００７】
「光生成能力を高めたIII―窒化物発光デバイス」と題する後述の特許文献１に、以下の記載がある。
【０００８】
特許文献１の発明は、全体として高い光生成能力を有する反転型III−窒化物発光デバイス（ＬＥＤ）である。面積の大きな（＞４００×４００μｍ2）デバイスはｎ電極を少なくとも一つ有し、これはｐ電極のメタライゼーションを間に挟むようにして直列抵抗を小さくしている。ｐ電極のメタライゼーションは不透明で、高い反射性を有し、オーミックであり、優れた電流拡散性を有している。ＬＥＤチップとパッケージとの間の電気的、熱的な接続を与えるために、中間の材料、即ち、下部マウントを用いることができる。このデバイスは、光の取出し効率が改善するよう、屈折率の高い（ｎ＞１．８）のスーパーストレートを含むことができる。
【０００９】
特許文献１の発明は、光の取出しを多くしながらｐｎ接合部から照明パッケージへの熱抵抗を小さくすることによって、例えば、４００×４００μｍ2を超える大きな面積を有する最高の光生成能力を伴った高出力ＬＥＤを提供する。これを達成するために特許文献１の発明では、抵抗が小さく、不透明で、反射率の高いｐ電極を用いた反転構造を採用する。
【００１０】
「増加発光能力を持つIII族窒化物ＬＥＤの製造方法」と題する後述の特許文献２に、以下の記載がある。
特許文献２の発明は、増強された全体的発光能力を持つ逆転ＩＩＩ族窒化物発光装置（ＬＥＤ）である。大面積（＞４００×４００μｍ2）装置は、低い直列抵抗をもたらすためにｐ電極金属被覆の間に挿入される少なくとも１つのｎ電極を持つ。該ｐ電極金属被覆は、不透明、高反射率、オーミックであり、優れた電流拡散をもたらす。中間材料又はサブマウントは、ＬＥＤダイとパッケージとの間の電気的及び熱的接続を準備するために使用してもよい。該装置は、光抽出効率の更なる改善が得られる高屈折率（ｎ＞１．８）上層基板を含むことができる。
【００１１】
特許文献２の発明は、光抽出を増加する一方で、ｐｎ接合から、ランプパッケージへの熱抵抗を減少することにより、最大発光能力を持つ、例えば、面積＞４００×４００μｍ2等の大面積及び高電力のＬＥＤを提供する。これを達成するため、特許文献２の発明は、低抵抗、不透明、及び、高反射率のｐ電極を利用する逆転構造を使用する。
【００１２】
「III族窒化物デバイスのための窒化ガリウムインジウム平滑構造」と題する後述の特許文献３に、以下の記載がある。
【００１３】
特許文献３の発明によると、活性領域での成長に備える、インジウム含有の勾配平滑領域が、III族窒化物発光デバイスの基板と活性領域の間に形成される。一つの実施形態において、勾配平滑領域は、組成に勾配が付けられている。別の実施形態において、勾配平滑領域は、ドープ剤濃度に勾配が付けられている。いくつかの実施形態において、勾配平滑領域は、一定の組成及びドープ剤濃度を有するスペーサ層によって活性領域から分離されている。特許文献３の発明の勾配平滑領域は、勾配平滑領域、特に活性領域の上に成長される層の表面特性を向上させることができる。
【００１４】
特許文献３の発明の第１の実施形態において、平滑層は、スペーサ層よりずっと高濃度にドープされる。平滑層は、例えば、２×１０17ｃｍ-3と２×１０19ｃｍ-3の間の濃度までＳｉがドープされる。第１の実施形態において、スペーサ層はｎ型であり、例えば、無ドープと２×１０18ｃｍ-3の間の濃度までＳｉがドープされる。
【００１５】
第１の実施形態のスペーサ層は、ｎ型領域１２よりも低いドープ剤濃度を有し、従って、該スペーサ層は、活性領域内に電流が均一に広がるのを助けることができる、より抵抗性のある層であり、電流がｎコンタクトとｐコンタクトの間の最短経路内に過密になるのを防ぐ。スペーサ層の厚さは、該スペーサ層がデバイスの順電圧を著しく増加させないように、該スペーサ層のドープ剤濃度に基づいて選択される。
【００１６】
特許文献３の発明によると、インジウム含有平滑構造は、いくつかの利点を提供することができる。第１に、平滑構造を用いることによって、望ましくない三次元の島状成長が始まった後でさえ、平滑半導体表面の二次元のステップ−フロー型成長を回復することができる。三次元の島状成長は、基板表面の大きな誤配向、不十分な表面処理、又は、ケイ素注入のような結晶性転位の密度を減少させるように設計された成長開始段階によって引き起こされる可能性がある。上述のように、表面の形態は、デバイスの性能に影響を有し、よって、平滑構造は、III族窒化物ＬＥＤの効率と信頼性の両方を高めることができる。
【００１７】
「窒化物半導体素子の製造方法、窒化物半導体素子」と題する後述の特許文献４に、以下の記載がある。
【００１８】
特許文献４の発明の窒化物半導体素子は、第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層上に積層される活性層と、前記第１の窒化物半導体層と反対導電型とされ前記活性層上に積層される第２の窒化物半導体層とを有し、前記第２の窒化物半導体層の成長温度が９００℃以下とされ、且つ前記第２の窒化物半導体層は平坦化面を呈する膜厚を有することを特徴とする。
【００１９】
窒化物半導体層を窒化ガリウム層とする場合、一般に９５０℃程度で成長される窒化ガリウム層は成長ピットを生じやすいが、逆に更に低い９００℃以下の低温で成長させた場合では、III族原子の表面拡散長が短くなるため成長ピットの少ない平坦な膜となる。このためデバイスを作製した場合にリーク電流等の低減を実現できる。
【００２０】
「窒化物半導体装置及びその半導体素子」と題する後述の特許文献５に、以下の記載がある。
【００２１】
図１３は、従来技術におけるＬＥＤ素子を説明する図であり、特許文献５に記載の図１４である。
【００２２】
［実施例３］特許文献５の発明を窒化物半導体で構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用した実施例について説明する。図１３は、特許文献５の発明をＬＥＤに適用した構造を示す図で、図中符号２４１はＳｉＣ基板、２４２はＡｌＮバッファ層（１００ｎｍ）、２４３はＳｉドープＧａＮ層（１μｍ）、２４４はＩｎＧａＮグレーデッド層（３０ｎｍ）、２４５は不純物をドープしないＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子（活性層）、２４６はＩｎＧａＮグレーデッド層（３０ｎｍ）、２４７はＭｇドープＧａＮ層（５００ｎｍ）、２４８はＡｌ／Ａｕ電極、２４９はＰｄ／Ａｕ電極である。
【００２３】
実施例１と同様に、ＭＯＶＰＥ法によってＳｉＣ基板２４１上にエピタキシャル構造を成長し、ＥＣＲエッチング法を用いて加工し、電子ビーム蒸着により電極を形成した。活性層２４５はＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子であり、この超格子中での障壁層のＩｎ組成は６％であり、井戸層のＩｎ組成は１０％である。障壁層及び井戸層の厚さはそれぞれ、５ｎｍ及び２ｎｍであり、井戸層の数は５層である。ｎ型不純物層２４３と活性層２４５の間に挿入したＩｎＧａＮ層２４４におけるＩｎ組成は、ｎ型不純物層２４３から活性層２４５にかけて０％から６％まで増加させている。この構造により基板側から表面側にかけてバンドギャップが徐々に小さくなる。
【００２４】
また、活性層２４５とｐ型不純物層２４７の間に挿入したＩｎＧａＮ層２４６におけるＩｎ組成は、活性層２４５からｐ型不純物層２４７にかけて６％から０％まで減少させている。この構造により基板側から表面側にかけてバンドギャップが徐々に大きくなる。
２つのＩｎＧａＮグレーデッド層２４４、２４６の厚さを３０ｎｍに固定した。そして、ｎ型不純物層２４３と活性層２４５の間に挿入したＩｎＧａＮグレーデッド層２４４には、ｎ型不純物であるＳｉ不純物をドーピングしない構造と１×１０18ｃｍ-3のＳｉ不純物をドーピングした構造を作製した。
【００２５】
また、活性層２４５とｐ型不純物層２４７の間に挿入したＩｎＧａＮグレーデッド層２４６には、ｐ型不純物であるＭｇ不純物をドーピングしない構造と１×１０18ｃｍ-3 のＭｇ不純物をドーピングした構造も作製した。
【００２６】
これらの２つの構造に電圧を加えるとＬＥＤが動作して発光する。特許文献５の発明を適用して、ＩｎＧａＮグレーデッド層２４４、２４６に１×１０18ｃｍ-3のｎ型又はｐ型不純物をドーピングすることにより、低い電圧でも発光出力を高くすることができた。更に、ｎ型不純物（Ｓｉ）とｐ型不純物（Ｍｇ）のドーピングの両方を行うことにより３Ｖ以下の低電圧で発光を起こすことが可能になる。
【００２７】
「窒化物半導体素子」と題する後述の特許文献６に、以下の記載がある。
【００２８】
図１４は、従来技術におけるＧａＮ半導体素子（ＬＥＤ素子）を説明する図であり、特許文献６に記載の図１である。
【００２９】
図１４は、特許文献６の発明の一実施の形態である窒化物半導体素子（ＬＥＤ素子） の構造を示す模式的断面図であり、本実施の形態の窒化物半導体素子はサファイア基板１０１の上に、（１）ＡｌＧａＮよりなるバッファ層１０２、（２）アンドープＧａＮ層１０３、（３）ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０４、（４）アンドープＧａＮ層１０５、（５）ＳｉドープＧａＮ層１０６、（６）アンドープＧａＮ層１０７、（７）ＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子ｎ型層１０８、（８）ＩｎＧａＮ層を井戸層としＧａＮ層を障壁層とする多重量子井戸構造の活性層１０９、（９）ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＩｎＧａＮ超格子ｐ型層１１０、（１０）ＭｇドープＧａＮ／ＳｉドープＧａＮ変調ドープｐ側コンタクト層１１１、が順に積層された構造を有し、以下のようにｐ側及びｎ側の電極が形成されて構成されている。
【００３０】
ｎオーミック電極１２１は、例えば、素子の隅部においてｐ側コンタクト層１１１からアンドープＧａＮ層１０５までをエッチングにより除去して、ｎ型コンタクト層１０４の一部を露出させ、露出させたｎ型コンタクト層１０４上に形成する。
【００３１】
また、ｐ側の電極としては、ｐ側コンタクト層１１１上のほぼ全面にｐオーミック電極１２２を形成し、そのｐオーミック電極１２２上の一部にｐパッド電極１２３を形成している。
【００３２】
ここで、特に本実施の形態の窒化物半導体素子は、ｐ側コンタクト層１１１をＭｇドープＧａＮ層１１１ａとＳｉドープＧａＮ層１１１ｂとを交互に積層した変調ドープ層により構成したことを特徴とし、これによりリーク電流を低減し且つ静電耐圧を向上させている。
【００３３】
本実施の形態において、ｐ側コンタクト層１１１（ＳｉドープＧａＮ層１１１ｂ）における好ましいＳｉのドープ量としては１×１０17／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3、更に好ましくは１×１０18／ｃｍ3〜５×１０19／ｃｍ3の範囲に調整する。１×１０17／ｃｍ3以上とすることで、リーク電流を小さくする効果が顕著に現れ、１×１０21／ｃｍ3より大きくなると結晶性が悪くなり、発光効率が低下する傾向にあるからである。
【００３４】
“Microstructure origin of leakage current InＧａＮ/InＧａＮ light-emitting diodes”と題する後述の非特許文献３に、温度を上昇させた場合のＬＥＤの典型的な逆Ｉ−Ｖ特性（図２（ａ））の記載、リーク電流は活性層面積（junction Area）に比例する（図２（ｂ））ことの記載、トポグラフイーと電流イメージとの相関は、Ｖ-defect及びこれに関連した混合転位又は螺旋転位は、低い印加バイアスでの高度に局所化された接合リーケージを確証しているとの記載がある。
【００３５】
“High luminescent efficiency of InＧａＮ multiple quantum wells grown on InＧａＮ underlying layers”と題する後述の非特許文献４に、以下の記載がある。
【００３６】
厚さ〜５０ｎｍのＩｎＧａＮ下地層によって、ＩｎＧａＮ多重量子井戸での非放射再結合中心を大きく減少させ、この結果、従来報告されていた室温でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）の内部量子効率（ηint)は〜３０であったが、青紫光（〜４００ｎｍ）を出射するＩｎＧａＮ多重量子井戸の十分高い内部量子効率（ηint)０．７１を得た。濃度２×１０18ｃｍ-3のＳｉをドープした厚さ５０ｎｍの下地層として、水素を使用して１０００℃で成長させたＧａＮ、窒素を使用して７８０℃で成長させたＧａＮ、窒素を使用して７８０℃で成長させたＩｎ0.04Ｇａ0.96Ｎを準備した。
【００３７】
「ＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法」と題する後述の特許文献７に、以下の記載がある。
【００３８】
特許文献７の発明の目的は、高い動作電流密度での駆動における高発光効率を達成し、同時に、動作電圧の大幅な低減を実現し得る構造を有するＧａＮ系半導体発光素子、及び、その製造方法を提供することにある。
【００３９】
特許文献７の発明の第１の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子は、（Ａ）ｎ型の導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、（Ｂ）活性層、及び、（Ｃ）ｐ型の導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層、を備え、更に、（Ｄ）第１ＧａＮ系化合物半導体層と活性層との間に形成されたＧａＮ系化合物半導体からなる下地層、及び、（Ｅ）活性層と第２ＧａＮ系化合物半導体層との間に形成され、ＧａＮ系化合物半導体から成り、ｐ型ドーパントを含有する超格子構造層、を備えていることを特徴とする。
【００４０】
上記の目的を達成するための特許文献７の発明の第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子は、（Ａ）ｎ型の導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、（Ｂ）活性層、及び、（Ｃ）ｐ型の導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層、を備え、更に、（Ｄ）第１ＧａＮ系化合物半導体層と活性層との間に形成されたＧａＮ系化合物半導体からなる下地層、を備えており、第２ＧａＮ系化合物半導体層は超格子構造を有することを特徴とする。
【００４１】
以上に説明した好ましい構成、形態を含む特許文献７の発明の第１の態様又は第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子において、下地層は活性層と直接接していてもよいし、或いは、活性層と下地層との間には、アンドープＧａＮ系化合物半導体からなる下層スペーサ層が形成されており、この下層スペーサ層の厚さは、５０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以下である構成とすることができる。また、下地層の厚さは、２０ｎｍ以上、望ましくは５０ｎｍ以上であることが好ましい。なお、下地層の厚さの上限として、１μｍを例示することができる。更には、下地層及び活性層はＩｎを含有し、下地層におけるＩｎ組成割合は０．００５以上であり、且つ、活性層におけるＩｎ組成割合よりも低いことが好ましい。また、下地層はｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）を含有し、ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０16／ｃｍ3乃至１×１０21／ｃｍ3、望ましくは、２×１０17／ｃｍ3乃至２×１０19／ｃｍ3であることが好ましい。ここで、下地層は、基本的に単一の組成からなる構成とすることもできるし、徐々に変わる組成を有する構成とすることもできる。また、下地層は発光波長に対して透明であることが好ましい。
【００４２】
【特許文献１】特開２００１−２０３３８６号公報（段落０００８、段落００１８、図６）
【特許文献２】特開２００１−２３７４５８号公報（段落０００９、段落００２９、図６）
【特許文献３】特開２００２−２９９６８５号公報（段落０００４、段落０００９〜００１０、段落００３１、図１、図３）
【特許文献４】特開２００２−３１９７０２号公報（段落００１６〜００１７）
【特許文献５】特開２００３−５９９３８号公報（段落００６２〜００６７、図１４）
【特許文献６】特開２００４−１１２００２号公報（段落００１１〜００１２、図１）
【特許文献７】特開２００７−８０９９６号公報（段落０００８〜００１０、段落００１５）
【非特許文献１】S. Keller et al.,“Effect of the growth rate and the barrier doping on the morphology and the properties of InＧａＮ/ＧａＮ quantum wells”, J. Cryst. Growth. 195(1998)258-264（3.2 Effect of the silicon doping during LT ＧａＮ）
【非特許文献２】H. Kim et al.,“Electromigration-induced failure of ＧａＮ multi-quantum well light emitting diode”, Electronics Letters vol.36 N0.10(2000)908-910（summary）
【非特許文献３】X.A. Cao et al.,“Microstructure origin of leakage current InＧａＮ/InＧａＮ light-emitting diodes”, J. Cryst. Growth. 264(2004)172-177（3. Results and discussion、図２（ａ）、図２（ｂ））
【非特許文献４】T. Akasaka et al.,“High luminescent efficiency of InＧａＮ multiple quantum wells grown on InＧａＮ underlying layers”, App. Phys. Lett. Vol. 85, No. 15 (2004)3089-3091（第３０８９頁左欄第２９行〜同欄第３６行、第３０８９頁右欄第１９行〜第３０９０頁左欄第１行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
ＧａＮ系化合物半導体のｐｎ構造からなる発光素子（発光ダイオード又はレーザダイオード）では、逆バイアス印加時にリーク電流（又は、漏洩電流）が発生することがあり、また、ＧａＮ系化合物半導体を用いたフォトディテクタ（又は、受光素子）では、無バイアス又は逆バイアス印加動作させ光が活性層に照射されない場合、ダークカレント（又は、暗電流）が発生することがある。
【００４４】
発光素子における漏洩電流は、例えば、意図せず電流が流れることによる消費電力の増大や回路の故障の原因となり、多数個の発光素子が搭載される光学装置ではクロストークの原因になるという問題がある。また、受光素子における暗電流は光検出器(受光装置)としてのＳ／Ｎを低下させるという問題がある。
【００４５】
ＧａＮ系化合物半導体のｐｎ構造からなる発光素子において、安定した良好な動作特性を保持させるために、逆バイアス印加時に発生する漏洩電流の抑制、漏洩電流の発生による消費電力の増大や回路の故障の防止、多数個の発光素子が搭載される光学装置におけるクロストークの抑制が強く望まれている。
【００４６】
発光素子における漏洩電流、或いは、受光素子における暗電流の発生要因として、ＧａＮ系化合物半導体の結晶に生じるＶ-effectとそれに関連した混合転位や螺旋転位の存在が考えられる。
【００４７】
従来、低転位密度の基板、例えば、サファイア基板上に選択成長を用いて横方向成長させた基板やバルクＧａＮ基板の使用によって、漏洩電流を低減できることが知られていたが、漏洩電流の低減を図るには、そのような特殊な基板を用いる必要があり、低コスト化の阻止要因となっていた。
【００４８】
発光素子（ＬＥＤ）をデバイス化する際に、片面でｐｎ両電極を形成する方法、サファイア基板等を剥離して、又は、導電性の基板を用いて上下の面に電極を形成する方法がある。片面にｐｎ両電極を形成する場合、例えば、半透明ｐ型電極を用いた形態や反射電極を用いたフリップチップ型等がある。何れの場合も活性層の面積を広くとることによって駆動電流密度は下がり高効率を期待できるが、活性層の面積増加と共に漏洩電流が問題となる可能性がある。
【００４９】
また、導電性の基板を用いる、又は、サファイア等の基板を剥離して上下の面に電極を形成する方法においては、エッチングにより活性層を削って片方の電極を作成する必要はなくチップのほぼ全面を活性層（junction area）とすることができる。これは同じチップ外寸法でも活性層の面積を広くとれることから、工程簡略化と共に高効率化には有効であるが、上記と同様な漏洩電流の懸念がある。
【００５０】
なお、ＧａＮ系半導体発光素子（以下、ＧａＮ系発光素子とも言う。）は、種々のパッケージ形態が可能であるだけでなく、用途や光量によってＧａＮ系発光素子の大きさも異なり、また、ＧａＮ系発光素子の大きさに応じて標準的な駆動電流（動作電流）が異なる等のために、ＧａＮ系発光素子の特性の電流値依存性を直接比較することは困難である。
【００５１】
以下の説明では、一般化のために、ＧａＮ系発光素子の駆動電流の値そのものではなく、駆動電流の値を活性層の面積（接合領域の面積）で除した駆動電流密度（単位：Ａ／ｃｍ2）によって表すことにする。同様に、ＧａＮ系発光素子の漏洩電流の値そのものではなく、漏洩電流の値を活性層の面積で除した漏洩電流密度（単位：Ａ／ｃｍ2）によって表すことにする。同様に、ＧａＮ系半導体素子が受光素子として構成されるＧａＮ系半導体受光素子に関する暗電流についても、暗電流の値を活性層の面積で除した暗電流密度（単位：Ａ／ｃｍ2）によって表すことにする。
【００５２】
以下の説明では、ｐｎ構造からなるＧａＮ系半導体素子は発光素子又は受光素子として構成されるが、発光素子又は受光素子として動作機能を限定せずにＧａＮ系半導体素子説明する場合にも、ＧａＮ系半導体素子に逆バイアスを印加した時に生じる電流を漏洩電流と呼ぶことにする。
【００５３】
ｐｎ構造からなるＧａＮ系半導体素子における漏洩電流は、ＧａＮ系化合物半導体にドープされる不純物濃度が関係すると考えられるが、これまでこの関係を具体的に測定によって確認したという報告はなかった。特に、ｎ型導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層とｐ型導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物層との間に活性層が形成された発光素子において、ｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）を含む上記ｎ型導電型層におけるｎ型ドーパントの濃度と発光素子における漏洩電流との関係（ドーピング濃度依存性）を具体的に測定によって確認したという報告はなかった。
【００５４】
特許文献３に、２×１０17ｃｍ-3と２×１０19ｃｍ-3の間の濃度までＳｉがドープされることの記載があり、非特許文献４に、２×１０18ｃｍ-3のＳｉドープに関する記載があり、特許文献７に、ｎ型ドーパントの濃度は、１×１０16／ｃｍ3乃至１×１０21／ｃｍ3、望ましくは、２×１０17／ｃｍ3乃至２×１０19／ｃｍ3であることが好ましいとの記載があり、非特許文献１に、Ｓｉドーピングを０から３×１０19ｃｍ-3へ変化させたことの記載があり、特許文献５に、１×１０18ｃｍ-3のＳｉ不純物をドーピングした構造を作製したとの記載があるが、何れの文献においても、発光素子において、上記ｎ型導電型層におけるｎ型ドーパントの濃度と漏洩電流との関係については調べられておらず、多数個の発光素子を共通配線して構成される光学装置で発生する問題についてもて考慮されていない、また、受光素子にも触れられていない。
【００５５】
特許文献６に、ｐ側コンタクト層における好ましいＳｉのドープ量に関する記載があるが、発光素子において、上記ｎ型導電型層におけるｎ型ドーパントの濃度と漏洩電流との関係については調べられておらず、多数個の発光素子を共通配線して構成される光学装置で発生する問題についてもて考慮されていない、また、受光素子にも触れられていない。
【００５６】
発光素子（ＬＥＤ）をデバイス化する際に、片面でｐｎ両電極を形成する方法、サファイア基板等を剥離して、又は、導電性の基板を用いて上下の面に電極を形成する方法がある。片面にｐｎ両電極を形成する場合、例えば、半透明ｐ型電極を用いた形態や反射電極を用いたフリップチップ型等がある。何れの場合も活性層の面積を広くとることによって駆動電流密度は下がり高効率を期待できるが、活性層の面積増加と共に漏洩電流が問題となる可能性がある。
【００５７】
また、導電性の基板を用いる、又は、サファイア等の基板を剥離して上下の面に電極を形成する方法においては、エッチングにより活性層を削って片方の電極を作成する必要はなくチップのほぼ全面を活性層（junction area）とすることができる。これは同じチップ外寸法でも活性層の面積を広くとれることから、工程簡略化と共に高効率化には有効であるが、上記と同様な漏洩電流の懸念がある。
【００５８】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、逆バイアスの印加時に発生する漏洩電流を抑制することができる窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体素子及びこれを用いた光学装置並びにこれを用いた画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５９】
即ち、本発明は、ｎ型の導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層と、ｐ型の導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物層と、前記第１ＧａＮ系化合物層と前記第２ＧａＮ系化合物層との間に形成された活性層とを有し、前記第１ＧａＮ系化合物層は、ｎ型の不純物濃度が３×１０18／ｃｍ3以上、３×１０19／ｃｍ3以下である下地層を含み、５Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、前記活性層の単位面積当りに流れる電流の密度である漏洩電流密度が２×１０-5Ａ／ｃｍ2以下である、窒化ガリウム系半導体素子に係るものである。
【００６０】
また、本発明は、上記窒化ガリウム系半導体素子が２次元マトリックス状に配列された光学装置であって、第１方向の各行に配列された複数の前記窒化ガリウム系半導体素子の第１の電極が前記第１方向の各行の共通配線に接続され、第２方向の各列に配列された複数の前記窒化ガリウム系半導体素子の第２の電極が前記第２方向の各列の共通配線に接続された、光学装置に係るものである。
【００６１】
また、本発明は、上記光学装置によって画素部が構成され、前記ＧａＮ系半導体素子がパッシブマトリックス駆動される、画像表示装置に係るものである。
【発明の効果】
【００６２】
本発明の窒化ガリウム系（以下、ＧａＮ系と略記する。）半導体素子によれば、ｎ型の導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層と、ｐ型の導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物層と、前記第１ＧａＮ系化合物層と前記第２ＧａＮ系化合物層との間に形成された活性層とを有し、前記第１ＧａＮ系化合物層は、ｎ型の不純物濃度が３×１０18／ｃｍ3以上、３×１０19／ｃｍ3以下である下地層を含むので、５Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、前記活性層の単位面積当りに流れる電流の密度である漏洩電流密度が２×１０-5Ａ／ｃｍ2以下とすることができ、漏洩電流を抑制することができ、クロストークによる特性低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【００６３】
本発明の光学装置によれば、上記ＧａＮ系半導体素子が２次元マトリックス状に配列された光学装置であって、第１方向の各行に配列された複数の前記ＧａＮ系半導体素子の第１の電極が前記第１方向の各行の共通配線に接続され、第２方向の各列に配列された複数の前記ＧａＮ系半導体素子の第２の電極が前記第２方向の各列の共通配線に接続されており、逆方向バイアスが印加された場合に、漏洩電流が抑制されているので、クロストークによる特性低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【００６４】
本発明の画像表示装置によれば、上記光学装置によって画素部が構成され、前記ＧａＮ系半導体素子がパッシブマトリックス駆動されるので、逆方向バイアスが印加された場合に、漏洩電流が抑制されているので、クロストークによる画質低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
本発明のＧａＮ系半導体素子では、前記下地層のｎ型の不純物濃度が４×１０18／ｃｍ3以上であり、前記漏洩電流密度が８×１０-6Ａ／ｃｍ2以下である構成とするのがよい。この構成によって、逆方向バイアスが印加された場合に、漏洩電流が抑制されているので、クロストークによる特性低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【００６６】
また、前記下地層のｎ型の不純物濃度が８×１０18／ｃｍ3以上であり、前記漏洩電流密度が１×１０-6Ａ／ｃｍ2以下である構成とするのがよい。この構成によって、逆方向バイアスが印加された場合に、漏洩電流が抑制されているので、更に、クロストークによる特性低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【００６７】
また、前記下地層のｎ型の不純物濃度が１×１０19／ｃｍ3以上であり、前記漏洩電流密度が６×１０-7Ａ／ｃｍ2以下である構成とするのがよい。この構成によって、逆方向バイアスが印加された場合に、漏洩電流が抑制されているので、更に、クロストークによる特性低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【００６８】
また、前記下地層及び前記活性層はＩｎを含有するＧａＮ系化合物から構成され、前記下地層を構成する前記ＧａＮ系化合物におけるＩｎ組成割合は０．００５以上であり、前記活性層を構成する前記ＧａＮ系化合物におけるＩｎ組成割合よりも低い構成とするのがよい。この構成によって、ＧａＮ系半導体素子を高効率化させることができる効果や低電圧化させることができる効果が得られる。
【００６９】
また、前記下地層の厚さが５ｎｍ以上、５μｍ以下である構成とするのがよい。この構成によって、結晶品質の低下を招くことなく、ＧａＮ系半導体素子を低電圧化させることができる効果が得られる。
【００７０】
また、前記下地層の厚さが２０ｎｍ以上、１μｍ以下である構成とするのがよい。この構成によって、より高品質の結晶を実現することができ、ＧａＮ系半導体素子をより低電圧化させることができる効果が得られる。
【００７１】
また、前記第２ＧａＮ系化合物層は、ｐ型の不純物がドープされた厚さが１００ｎｍ以上であるＧａＮ層を含む構成とするのがよい。この構成によって、前記第２ＧａＮ系化合物層は、ＧａＮ系半導体素子の表面保護層としても作用するので、ＧａＮ系半導体素子の動作電圧を増加させることなく、活性層へのダメージや漏洩電流の少ない素子を実現することができる。
【００７２】
また、前記第１ＧａＮ系化合物層が、ｎ型の不純物としてＳｉがドープされたＧａＮである構成とすることができる。
【００７３】
また、前記第１ＧａＮ系化合物層を含むｐ型ＧａＮ層と、前記第２ＧａＮ系化合物層及び前記下地層を含むｎ型ＧａＮ層が形成され、前記ｐ型ＧａＮ層又は前記ｎ型ＧａＮ層の主面に対して角度θ1傾斜した端面を有しており、前記端面の外部に、前記端面に対向し、且つ前記主面に対して前記角度θ1より小さな角度θ2傾斜した部分を有する反射体が形成された構成とするのがよい。この構成によって、ＧａＮ系半導体素子が発光素子として構成された場合に、発光素子からの高い光取り出し効率（光出射効率）を実現することができ、また、ＧａＮ系半導体素子が受光素子として構成された場合に、受光素子への高い光取り込み効率（光受光効率）を実現することができる。
【００７４】
また、発光素子として構成されたＧａＮ系半導体素子とするのがよい。この構成によって、逆方向バイアスが印加された場合に、漏洩電流が抑制されているので、消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる発光素子を実現することができる。
【００７５】
また、受光素子として構成されたＧａＮ系半導体素子とするのがよい。この構成によって、逆方向バイアスを印加して動作させる場合に、漏洩電流が抑制されているので、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる受光素子を実現することができる。
【００７６】
本発明の光学装置では、上記ＧａＮ系半導体素子が発光素子又は受光素子として構成され、上記ＧａＮ系半導体素子が発光素子として構成された場合には、２次元マトリックス状に配列された発光素子によって光が出射され、又は、上記ＧａＮ系半導体素子が受光素子として構成された場合には、２次元マトリックス状に配列された受光素子によって光が受光される。この構成によって、多数個のＧａＮ系半導体素子が搭載された光学装置においてもクロストークを抑制することができ、発光効率（又は、受光効率）を向上させることができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。なお、２次元マトリックス状に配列される代わりに、上記ＧａＮ系半導体素子が１次元マトリックス状に配列される構成であってもよいことは言うまでもない。
【００７７】
本発明の画像表示装置は、上記ＧａＮ系半導体素子が発光素子又は受光素子として構成された上記光学装置を用いた画像表示装置であり、上記ＧａＮ系半導体素子が発光素子として構成された場合には、上記光学装置によって画素部が構成され、２次元マトリックス状に配列された発光素子によって出射された光によって形成された画像が表示される。又は、上記ＧａＮ系半導体素子が受光素子として構成された場合には、上記光学装置によって第１の画素部が形成され、この第１の画素部において２次元マトリックス状に配列された受光素子によって光が受光され、各受光素子によって受光された光の強弱信号に基づいて形成された画像が、前記第１の画素部と異なる第２の画素部に表示される。このような構成によって、逆方向バイアスが印加された場合に、漏洩電流が抑制されているので、クロストークによる特性低下を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【００７８】
また、１０万個以上のＧａＮ系半導体素子を有する構成とするのがよい。この構成によって、赤色光（Ｒ）、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）をそれぞれ出射するＧａＮ系半導体素子を用いたカラー表示を行う画像表示装置であって、ＱＶＧＡ（Quarter Video Graphic Array、画素数３２０×４２０）、ＳＶＧＡ（Super Quarter Video Graphic Array、画素数８００×６００）、ＷＶＧＡ（Wide Quarter Video Graphic Array、画素数８００×４８０）等の画像表示装置において、クロストークによる特性低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【００７９】
また、１００万個以上のＧａＮ系半導体素子を有する構成とするのがよい。この構成によって、赤色光（Ｒ）、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）をそれぞれ出射するＧａＮ系半導体素子を用いたカラー表示を行うフルスペックハイビジョン等の画像表示装置において、クロストークによる特性低下を防止すると共に消費電力の増加を抑制し、回路の故障を防止することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる画像表示装置を実現することができる。
【００８０】
本発明によるＧａＮ系化合物半導体素子（以下、ＧａＮ系半導体素子と言う。）は、ｎ型の導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層と、ｐ型の導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物層と、第１ＧａＮ系化合物層と第２ＧａＮ系化合物層との間に形成され、光を出射又は光を受光する活性層とを有し、第１ＧａＮ系化合物層は、ｎ型の不純物濃度が３×１０18／ｃｍ3以上、３×１０19／ｃｍ3以下であるＧａＮ系化合物半導体からなる下地層を含んでいる。
【００８１】
ＧａＮ系半導体素子は、活性層が光を出射する発光素子、或いは、活性層が光を受光する受光素子として構成される。ＧａＮ系半導体素子に５Ｖの逆方向バイアスが印加された場合には、活性層の単位面積当りに流れる電流の密度である漏洩電流密度が２×１０-5／ｃｍ2以下である。
【００８２】
複数の上記ＧａＮ系半導体素子が２次元マトリックス状に配列されて光学装置が構成され、第１方向の各行に配列された複数のＧａＮ系半導体素子の第１の電極が第１方向の各行の共通配線に接続され、第２方向の各列に配列された複数のＧａＮ系半導体素子の第２の電極が第２方向の各列の共通配線に接続されている。
【００８３】
複数のＧａＮ系半導体素子が発光素子として構成され、上記光学装置によって画素部が構成された画像表示装置は、ＧａＮ系半導体素子がパッシブマトリックス駆動される。
複数のＧａＮ系半導体素子が受光素子として構成され、上記光学装置によって受光部が構成された２次元受光装置は、ＧａＮ系半導体素子がパッシブマトリックス駆動される。
【００８４】
ＧａＮ系化合物半導体のｐｎ構造からなる発光素子では、逆バイアスの印加時に電流が発生することがある。ＧａＮ系化合物半導体が発光素子として構成される場合には、逆バイアスの印加時に発生する漏洩電流は、消費電力の増大、回路の故障原因となり、複数の発光素子を接続し制御する装置では、クロストークの原因になる。また、ＧａＮ系化合物半導体が受光素子として構成される場合には、逆バイアスの印加時に発生する暗電流は光検出器（受光器）としてのＳ／Ｎの低下の原因となる。
【００８５】
以下の説明では、ＧａＮ系化合物半導体が発光素子として構成され、逆バイアスの印加時に電流が漏洩電流である場合をとって、説明する。なお、ＧａＮ系化合物半導体が受光素子として構成され、逆バイアスの印加時に電流が暗電流である場合には、以下の説明は、発光を受光に言い換え、漏洩電流を暗電流に言い換えればよい。
【００８６】
上記の漏洩電流は、転位や欠陥に起因して発生するものと考える。本発明では、転位や欠陥の存在下でも、第１ＧａＮ系化合物層を構成するＧａＮ系化合物半導体からなる下地層にドープされる元素のドーピング濃度を制御することによって、逆バイアスの印加時に流れる漏洩電流を大幅に抑制できることを実際の測定によって確認した。
【００８７】
一般の半導体物理の教科書に述べられているように、ＰＮ接合の付近の高濃度ドーピングはＰＮ接合における接合電界を大きくする。デバイス劣化の主要因として電界拡散（electromigration）が挙げられ、大きな接合電界は電界拡散を引き起こし、漏洩電流の原因になると予想される。
【００８８】
本発明では、そのような予想に反する結果が、実際の測定によって確認された。またｎ型不純物自体が拡散する場合は、ＰＮ接合の界面付近の高濃度ドープは漏洩源になる可能性も考えられるが、実際には、大幅に低減された漏洩電流が測定結果として得られた。
【００８９】
本発明では、ｐ型層及びｎ型層を有する窒化ガリウム系発光素子において、ｎ型下地層のドーピング濃度を３×１０18ｃｍ-3以上、９×１０19ｃｍ-3以下とする構成、即ち、本来ドーピング量の少ない層のドープ量を大きくする構成とする。このような構成によって、５Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に発生する漏洩電流密度（活性層の単位面積当りに流れる漏洩電流の密度である。）を２×１０-5Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。より望ましくは、ｎ型下地層のドーピング濃度を、４×１０18／ｃｍ3以上、８×１０18／ｃｍ3以上、１×１０19／ｃｍ3以上とすることによって、それぞれ、漏洩電流密度を、８×１０-6Ａ／ｃｍ2以下、１×１０-6Ａ／ｃｍ2以、６×１０-7Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【００９０】
このような構成によって、逆バイアス印加時に発生する漏洩電流の発生を抑制することができ、また、この発光素子を多数個接続して制御する装置、例えば、画像表示装置において、悪影響の大きい漏洩電流を抑制することができ、クロストークを抑制することができ、安定した良好な動作特性を保持させることが可能となる。
【００９１】
以下、図面を参照しながら本発明による実施の形態について詳細に説明する。
【００９２】
実施の形態
図１は、本発明の実施の形態において、ＧａＮ系半導体発光素子における下地層のＳｉドーピング濃度と漏洩電流密度の関係を説明する図である。
【００９３】
図１において、横軸は下地層にドープされた単位体積当たりのＳｉ濃度を示し、縦軸は、逆バイアス（５Ｖ）を印加した時の漏洩電流密度（活性層の単位面積当たりに流れる漏洩電流）を示す。
【００９４】
本発明のＧａＮ系半導体素子は、ｎ型の導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層と、ｐ型の導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物層と、第１ＧａＮ系化合物層と第２ＧａＮ系化合物層との間に形成され光を出射する活性層とを有し、第１ＧａＮ系化合物層は、ｎ型の不純物としてＳｉがドープされた下地層を含んでいる。なお、第１ＧａＮ系化合物層及び第２ＧａＮ系化合物層のそれぞれを構成する各層の詳細については、図２を用いて後述する。
【００９５】
図１に示す結果から、下地層にドープされたＳｉ濃度によって漏洩電流密度は変化し、Ｓｉドーピング濃度によって、漏洩電流密度を制御することができる。
【００９６】
下地層のＳｉドーピング濃度を２×１０18／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約１×１０-4Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【００９７】
下地層のＳｉドーピング濃度を３×１０18／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約２×１０-5Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【００９８】
下地層のＳｉドーピング濃度を４×１０18／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約８×１０-6Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【００９９】
下地層のＳｉドーピング濃度を５×１０18／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約３×１０-6Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【０１００】
下地層のＳｉドーピング濃度を８×１０18／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約１×１０-6Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【０１０１】
下地層のＳｉドーピング濃度を１×１０19／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約６×１０-7Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【０１０２】
下地層のＳｉドーピング濃度を１．３×１０19／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約３×１０-7Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【０１０３】
下地層のＳｉドーピング濃度を２×１０19／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約１×１０-7Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【０１０４】
下地層のＳｉドーピング濃度を３×１０19／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を約４×１０-8Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【０１０５】
ここで、単純なディスプレイとして発光素子を１６０×１２０（ＱＱＶＧＡ（Quarter Quarter Video Graphic Array））素子で単純マトリクス配線した単色の画像表示装置を考える時、例えば、駆動電流密度を、１０Ａ／ｃｍ2〜１００Ａ／ｃｍ2とすると、１素子当りの逆バイアス印加時の漏洩電流密度は、（（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2）／１８９２１＝約（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2となる。１発光素子当りの逆バイアス印加時の漏洩電流密度がこの約（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2よりも大きければ流した電流が全て漏洩電流となって消費されてしまい、所望の発光を行なうことが困難となる。
【０１０６】
従って、１発光素子が所望の発光を行うためには、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して約２万分の１以下に抑制することが要求され、漏洩電流密度を約（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2以下とすることが要求される。
【０１０７】
この場合、１発光素子当りの逆バイアス印加時の漏洩電流密度を（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2以下とするためには、図２に示す下地層１４のＳｉドープ濃度を、３×１０18／ｃｍ3以上とすることが必要である。
【０１０８】
更に、コントラスト比として１：５００以上が要求される場合には、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して約１千万（１０7）分の１、即ち、約（１〜１０）μＡ／ｃｍ2以下に抑制することが要求される。
【０１０９】
この場合、１発光素子当りの逆バイアス印加時の漏洩電流密度を（１〜１０）μＡ／ｃｍ2以下とするためには、図２に示す下地層１４のＳｉドープ濃度を、(８×１０18／ｃｍ3〜３×１０18／ｃｍ3)以上とすることが必要であり、Ｓｉドープ濃度を３×１０18／ｃｍ3以上とすれば、漏洩電流密度を確実に１μＡ／ｃｍ2以下とすることができ、逆バイアス電圧の印加時における漏洩電流を有効に低減させることができる。
【０１１０】
なお、下地層のＳｉドープ濃度が３×１０19／ｃｍ3以下であれば１μｍ程度の平坦な膜を安定して成長させることができる。また、下地層のＳｉドープ濃度が２×１０19／ｃｍ3以下であれば膜厚によらず平坦な膜を安定して成長させることができる。
【０１１１】
以上説明したように、駆動電流密度を、１０Ａ／ｃｍ2〜１００Ａ／ｃｍ2とする時、下地層におけるＳｉドープ濃度を３×１０18／ｃｍ3以上となるようにすれば、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して２万の１以下に抑制することができ、下地層におけるＳｉドープ濃度を（８×１０18／ｃｍ3〜３×１０18／ｃｍ3）以上となるようにすれば、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して１千万分の１以下に抑制することができる。
【０１１２】
従って、ｐｎ構造からなるＧａＮ系半導体素子において、逆バイアスの印加時に発生する漏洩電流を抑制することができ、複数のＧａＮ系半導体素子が搭載された光学装置においてもクロストークを抑制することができ、発光効率又は受光効率を向上させることができ、複数のＧａＮ系半導体素子が搭載された光学装置を用いた画像表示装置を実現することができ、安定した良好な動作特性を保持させることができる。
【０１１３】
図２は、本発明の実施の形態において、ＧａＮ系半導体発光素子における層構成を概念的に示す説明する図である。
【０１１４】
図２に示すように、ＧａＮ系発光素子１は、ｎ型の導電型層を含む第１ＧａＮ系化合物層２３、活性層１６、ｐ型の導電型層を含む第２ＧａＮ系化合物２９を有し、第１ＧａＮ系化合物層２３にはＧａＮ系化合物半導体からなる下地層１４が形成されている。
【０１１５】
第１ＧａＮ系化合物層２３は、厚さ３０ｎｍのバッファ層（ＬＴ−ＧａＮ層、低温堆積ＧａＮ緩衝層、低温バッファ層とも言う。）１１、厚さ１μｍのアンドープＧａＮ層１２、Ｓｉドープ濃度が５×１０18／ｃｍ3であり、厚さ３μｍのｎ型の導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層（ＧａＮ：Ｓｉ層）１３、図１に示すようなＳｉドープ濃度を有し、厚さ１５０ｎｍの下地層（Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ：Ｓｉ層）１４、厚さ５ｎｍの下層スペーサ層（アンドープＧａＮ層）１５から構成され、基板（サファイア基板）１０上に各層が順次形成されている。
【０１１６】
下地層１４上に、厚さ１１１ｎｍの活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層）１６が形成され、活性層１６は、交互に形成された、厚さ３ｎｍの井戸層（Ｉｎ0.23Ｇａ0.77Ｎ層）１６ａ、及び、厚さ１５ｎｍの障壁層（ＧａＮ層）１６ｂから構成されている。図１に示す例では、活性層１６は、７層の井戸層１６ａと６層の障壁層１６ｂから構成されている。活性層１６上には第２ＧａＮ系化合物２９が形成されている。なお、活性層１６におけるＩｎ組成割合（０．２３）は、下地層１４におけるＩｎ組成割合（０．０３）よりも高い。
【０１１７】
第２ＧａＮ系化合物２９は、厚さ１０ｎｍの上層スペーサ層（アンドープＧａＮ層）１７、Ｍｇドープ濃度が５×１０19／ｃｍ3であり、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ層（Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｍｇ層）１８、Ｍｇドープ濃度が５×１０19／ｃｍ3であり、厚さ１００ｎｍのｐ型の導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層（ＧａＮ：Ｍｇ層）１９、Ｍｇドープ濃度が１×１０20／ｃｍ3であり、厚さ５ｎｍのコンタクト層（Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｍｇ層）２０から構成され、活性層１６上に各層が順次形成されている。
【０１１８】
本実施の形態では、下地層１４が第１ＧａＮ系化合物半導体層１３と活性層１６との間に形成されているので、その上或いは上方に形成される活性層１６の結晶性の向上を図ることができ、結果として、例えば、動作電圧の大幅な低下といった、ＧａＮ系発光素子１の特性改善を達成することができる。
【０１１９】
なお、第１ＧａＮ系化合物層２３を構成する各層、及び、第２ＧａＮ系化合物層２９を構成する各層は、発光波長に対して透明である。以下、図２に示す各層について説明する。
【０１２０】
サファイア基板１０：
結晶を成長させる基体であると共に、コランダム構造のＣ面方位を有することでその上に成長させる窒化ガリウム結晶の配向を決める。意図的に傾斜させたＣ面を用いることによって、その上に形成する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶品質やデバイス特性を向上させることができる。サファイアは紫外から赤外まで波長領域で透明な基板であるため、発光素子の光を吸収することがなく、高い光取出し効率を実現し、発光効率向上に寄与する。更に、非常に硬く安定な材料であるため、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長時の高温（７００℃〜１４００℃）やアンモニア等の腐食性ガスに耐えることができる。なお、本発明の窒化ガリウム系半導体素子を成長する際の基板としてはシリコンカーバイド、シリコン、ガラス、石英、酸化亜鉛、ジルコニウムジボライド、ガリウム砒素、ガリウム燐、ＬｉＡｌＯ2、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの他の材料の基板を用いることもできる。また、結晶成長の後にこの基板を剥がしてもよい。
【０１２１】
面方位に関してはＣ面以外の例も多く報告され、特に非極性ＧａＮを成長するためのＲ面サファイア・Ｍ面サファイアに関しては近年研究が進められているが、Ｃ面結晶成長の効果は、以下に示す低温バッファ技術を用いることで簡単に良質の結晶を得られることにある。Ｃ面から傾斜した基板では更に良質な結晶成長の報告もあり、０．２度以上１度以下の傾斜基板ではＩｎＧａＮ層の結晶の高品質化と発光効率の向上が可能である。同様に他の材料でも様々な面方位の基板が試されており、六方晶（コランダム構造・ウルツァイト構造含む）のＣ面のみならずＡ面／Ｒ面／Ｍ面、立方晶（ダイヤモンド構造・閃亜鉛鉱構造含む）の（１１１）面や（００１）面、またそれぞれを意図的に傾斜した（例えば、０度以上１０度以下）基板を用いることができる。
【０１２２】
低温バッファ層（ＬＴ−ＧａＮ層）１１：
この低温バッファ層１１の効果は、格子不整合に起因する歪をアモルファス状の結晶で緩和するという説もあるが、近年の研究の成果としてサファイア基板上にＧａＮがＣ+面成長（Ｇａ面成長）するための結晶核を形成する役割が重要視されている。サファイアＣ面基板上に高温（〜１０００℃）で直接ＧａＮを成長した場合はＣ-面成長（Ｎ面成長）することが知られている。なお、基板とその上に成長される結晶の間に成長される層としてはこの低温バッファ層に限定されず、窒化アルミニウムやその混晶によるもの、金属膜によるもの、成長阻害物質からなる選択成長膜を部分的に含むものなどがあり、さらには低温（〜５００℃）高温（＞１０００℃）で基板に成長するものを用いることもできる。
【０１２３】
アンドープＧａＮ層１２：
低温バッファ層１１として形成された膜をアンモニア原料ガスや水素・窒素等のキャリアガスを流しながら、ＧａＮの一般的な成長温度である１０００℃前後まで昇温すると、蒸発や表面での原子の移動により孤立したグレイン状の結晶核になる。通常はファセットと呼ばれる結晶面で囲われた１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の結晶である。一般的には、例えば、Ｇａ原料であるトリメチルガリウムを供給することでこの結晶核から成長をはじめるが、この間はそれぞれの結晶核から横方向に（条件によっては縦方向にも）成長し、転位と呼ばれる結晶欠陥を横方向に伝播させることで以降に成長する膜に垂直に伝播する転位の数を減らすことができる。島状の３次元成長からお互いに合体して擬２次元成長を経て、平坦膜である２次元成長へと移行する。本実施の形態ではアンドープＧａＮ層１２としているが、この層にＳｉ等をドープしてもよい。なお、結晶核の形成や３次元成長や２次元成長といった成長様式に関しては本記載の例に限定されず、結晶の成長条件や基板、バッファ層の種類によって様々な様式をとりうる。
【０１２４】
第１ＧａＮ系化合物半導体層（ＧａＮ：Ｓｉ層）１３：
ｎ型となるようにＳｉをドーピングしている。この層は上記の２次元成長に引き続きより平坦な膜を形成するために望ましくはアンドープ層ＧａＮ層１２を含めて２μｍ以上となるように成長させることが望ましい。第１ＧａＮ系化合物半導体層１３には、ｎ型電極とのコンタクトを形成する、ｎ型層内で電流をより均一に広げる、ＬＥＤのｐｎ接合を形成するという役割がある。それぞれの役割に応じて意図的にこの層内でドーピング濃度を変調したり、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮといった層を含んだり、厚さを調整してもよい。
【０１２５】
下地層（Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ：Ｓｉ層）１４：
下地層１４はＩｎを含み、Ｉｎ組成は０．５％以上であり、活性層１６の井戸層１６ａのＩｎ組成よりも低いことが好ましく、このＩｎ組成の範囲では、Ｉｎの添加によって生じる効果、即ち、発光の高効率化や動作電圧の低電圧化の効果が得られる。活性層の井戸層のＩｎ組成以上になると活性層の発光を吸収するようになり、また、０．５％以下では上記のようなＩｎの添加によって生じる効果が低下する。
【０１２６】
下地層の厚さが５ｎｍよりも薄いと低電圧化の効果が見られにくく、５μｍよりも大きいとＧａＮとＩｎＧａＮとの格子歪の蓄積により結晶品質が低下する。つまり、下地層の厚さが５ｎｍ以上、５μｍ以下であれば、結晶品質の低下を招くことなく、上述のＩｎの添加によって生じる効果を得ることができる。より低電圧化と高品質な結晶を実現するためには、下地層の厚さが、好ましくは２０ｎｍ以上、より好ましくは５０ｎｍ以上、上限としては１μｍを例示することができる。
【０１２７】
下層スペーサ層（アンドープＧａＮ層）１５：
下層スペーサ層１５は、活性層１６と下地層１４との間に形成されている。下層スペーサ層１５は、その上に結晶成長される活性層１６の一層の結晶性向上、及び、動作電圧の低電圧化のために設けられている。下層スペーサ層１５の厚さ（換言すると、下地層１４と活性層１６との間の距離）は、５０ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以下であることが、低い動作電圧を実現する点で好ましい。
【０１２８】
活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層）１６、井戸層（Ｉｎ0.23Ｇａ0.77Ｎ層）１６ａ、障壁層（ＧａＮ層）１６ｂ：
活性層１６はＩｎＧａＮをバンドギャップエネルギーの低い井戸層１６ａ、ＧａＮをバンドギャップエネルギーの広い障壁層１６ｂとした多重量子井戸活性層である。ｎ型半導体層から電子、ｐ型層半導体層から正孔が注入され、よりバンドギャップエネルギーの低い井戸層１６ａに分配され、電子と正孔が再結合し発光する。発光波長は井戸層１６ａのＩｎ組成や厚さによって変化するが、Ｃ面上に形成されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸にはその格子歪みと極性に起因する大きなピエゾ電界が生じる。このため厚い井戸層では極端に発光効率が低下するため、青紫〜黄色発光を実現する場合の最適な井戸層１６ａの厚みは３ｎｍ前後である。３ｎｍ前後の井戸層１６ａでのＩｎ組成は青紫色で７％前後、青色光で１５％前後、緑色光で２３％前後である。波長や効率などの特性を調整するために窒化アルミニウムを含む混晶とすることもできる。
【０１２９】
上層スペーサ層（アンドープＧａＮ層）１７：
上層スペーサ層１７は、活性層１６とＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１８との間に形成されている。この上層スペーサ層１７の厚さは、１００ｎｍ以下、望ましくは２０ｎｍ以下である構成とすることができる。上層スペーサ層１７は、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１８中のドーパントＭｇが活性層１６内に拡散することを防止するために設けられており、活性層１６へのＭｇの拡散を低減でき発光効率と信頼性向上の効果がある。
【０１３０】
ＡｌＧａＮ層（Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｍｇ層）１８：
ＡｌＧａＮ層１８は活性層（多重量子井戸層）１６に近接したｐ型層であり、活性層（多重量子井戸層）１６の障壁層１６ｂであるＧａＮ層よりも高いバンドギャップエネルギーを有するＡｌＧａＮとすることによって、ｎ型層から活性層１６に注入された電子のうちｐ型層へオーバーフローもしくは透過するものをブロックする電子障壁としての役割がある。また、活性層１６に直接ホールを供給するホール供給層としての役割、高温でより安定なＡｌＧａＮを活性層１６に近接して配置することによって熱や水素ガス等からの保護層としての役割がある。この層は例えば窒化インジウムを含む混晶とすることもでき、また単一の組成からなる層だけでなく連続的・周期的に組成を変えた層とすることもできる。例えば、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ（層厚さ１．６ｎｍ）とＧａＮ（層厚さ２．４ｎｍ）を周期的に５層成長したような超格子構造によってさらなる出力向上や低電圧化も実現できる。
【０１３１】
第２ＧａＮ系化合物半導体層（ＧａＮ：Ｍｇ層）１９：
第２ＧａＮ系化合物半導体層１９は、ｐ型伝導層としてｐ側電極から活性層１６までのホール輸送の役割、横方向へのホール拡散の役割を有し、活性層１６の上部に適度な厚さ、例えば、ｐ型層の総厚で１００ｎｍ以上、１μｍ以下の厚さで形成することによって、表面保護層としての役割も有する。第２ＧａＮ系化合物半導体層１９の厚さが薄すぎる場合は、表面ダメージ等の影響が活性層１６に達して特性の低下を招き、リーク電流の原因になる。第２ＧａＮ系化合物半導体層１９の厚さが厚すぎる場合は、一般的にｐ型ＧａＮ中のホールの移動度とキャリア濃度が低いために動作電圧の増加を招く。第２ＧａＮ系化合物半導体層１９の厚さを、１００ｎｍ以上、１μｍ以下とすることによって、動作電圧が増加することなく、活性層１６へのダメージを抑制し、リーク電流の少ない素子を実現することができる。
【０１３２】
なお、第２ＧａＮ系化合物半導体層１９が直接金属とのコンタクト層になる場合もある。好ましいドーピング濃度は１×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3程度であり、この範囲外では安定したｐ型を得にくく、動作電圧の増加や発光効率の低下を招きやすい。なお、コンタクト界面２０ｎｍ程度だけを高濃度、例えば、２×１０20／ｃｍ3〜４×１０20／ｃｍ3とした構造とすることによって、コンタクト抵抗の低減も可能になる。
【０１３３】
コンタクト層（Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ：Ｍｇ層）２０：
コンタクト層２０を、ＧａＮよりもバンドギャップエネルギーの低いＩｎＧａＮによって形成することによって、ドープされたＭｇの活性化エネルギーを下げよりｐ型になりやすくする効果、また、ＧａＮ／ＩｎＧａＮのバンドオフセットを利用してＩｎＧａＮ中に高濃度ホールガスを形成し、よりｐ側電極とのコンタクト抵抗を下げる効果、ＩｎＧａＮ／ＧａＮにおけるピエゾ電界を利用して、更にコンタクト抵抗を低減する効果が生じる。コンタクト抵抗の低減のためには、Ｉｎ組成は５％〜２５％程度、厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍ程度、Ｍｇ濃度は０（アンドープ）〜４×１０20／ｃｍ3程度である。
【０１３４】
厚さが１ｎｍより薄いと駆動電圧の低電圧化の効果が小さく、厚さが１００ｎｍより厚いと結晶格子の緩和により結晶性が低下してしまう。また、Ｉｎ組成が５％より小さいと駆動電圧の低電圧化の効果が小さく、Ｉｎ組成が２５％より大きいと結晶格子の緩和により結晶性が低下してしまう。また、ドーピング濃度が４×１０20／ｃｍ3より高いと結晶性が低下してしまう。なお、Ｍｇ濃度を０（アンドープ）としてもよい理由は、コンタクト層２０に接するＧａＮ層中にMgがドーピングされていれば，そのＭｇからホールがコンタクト層２０であるＩｎＧａＮ層に供給され、高濃度のホールが発生するためである。また、コンタクト層２０は必須なものではない。この層においても単一の組成からなる層だけでなく連続的・周期的に組成を変えた層とすることもできる。
【０１３５】
図３は、本発明の実施の形態において、ＧａＮ系半導体発光素子の構成を説明する図である。図３（Ａ）は、ＧａＮ系発光素子１を上から眺めた模式図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂに沿った模式的な断面図（但し、斜線は省略）である。
【０１３６】
図３に示すように、第２ＧａＮ系化合物層２９のコンタクト層２０にはｐ側電極２１Ｂが形成され、第１ＧａＮ系化合物層２３の一部が除去され露出された第１ＧａＮ系化合物半導体層１３にはｎ側電極２１Ａされており、駆動電流が流される。
【０１３７】
本実施の形態のＧａＮ系発光素子１では、活性層の面積（接合領域の面積）を６×１０-4ｃｍ2とした。従って、ＧａＮ系発光素子１の駆動電流密度は、駆動電流値を活性層の面積である６×１０-4ｃｍ2で除した値となる。
【０１３８】
本実施の形態のＧａＮ系発光素子１として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）を例示することができ、ＧａＮ系発光素子１は、ＧａＮ系発光素子と色変換材料とからなる発光装置、直視型又はプロジェクション型等の画像表示装置、面状光源装置（バックライト）に適用することができる。また、照明、採光、表示等のために各種の装置に使用することができる。
【０１３９】
ＧａＮ系発光素子１の組立品は、フェイスアップ構造を有していてもよいし、フリップチップ構造を有していてもよい。
【０１４０】
次に、ＧａＮ系発光素子の断面を台形構造とすることによって高効率化する構成について説明する。
【０１４１】
断面が台形構造を有するＧａＮ系発光素子は、第１ＧａＮ系化合物層２３又は第２ＧａＮ系化合物層２９の主面に対して角度θ1傾斜した端面を有しており、この端面の外部に、この端面に対向し、且つ上記主面に対して角度θ1より小さな角度θ2傾斜した部分を有する反射体が形成された構成とすることもできる。即ち、ＧａＮ系発光素子のダイオード構造は、第１ＧａＮ系化合物層２３、第２ＧａＮ系化合物層２９、活性層１６による半導体層によって形成されており、この半導体層の主面として、第１ＧａＮ系化合物層２３又は第２ＧａＮ系化合物層２９の主面が選ばれ、この半導体層の端面は、半導体層の主面に対して角度θ1傾斜している。
【０１４２】
この半導体層の平面形状は、例えば、円形、正方形、長方形であるが、必要に応じて他の形状、例えば、楕円形等のように、円の全部または一部を規則的又は不規則的に変形した形状としてもよく、更には、ｎ角形（ｎは３以上の整数とする。）又はこのｎ角形の全部または一部を規則的または不規則的に変形した形状とすることもできる。
【０１４３】
この半導体層の断面形状は、例えば、台形又は逆台形であるが、これを変形した形状であってもよい。また、この半導体層の端面の傾斜角度θ1は、典型的には一定であるが、必ずしも一定である必要はなく、端面内で変化させてもよい。
【０１４４】
光取り出し効率の向上の観点より、好適には、半導体層の端面と反射体との間にこの半導体層の屈折率より小さい屈折率（空気の屈折率より大きい）を有する透明樹脂を形成する。この透明樹脂としては各種のものを用いることができ、必要に応じてその材質が選択される。同様に、好適には、半導体層の厚さを０．３μｍ以上、１０μｍ以下とし、且つ半導体層の最大径に対するこの半導体層の厚さの比を０．００１以上、２以下とする。
【０１４５】
半導体層の最大径は、必要に応じて決めることができるが、一般的には５０μｍ以下、典型的には３０μｍ以下、より典型的には２５μｍ以下である。また、好適には、半導体層が光取り出し面及びこの光取り出し面と反対側の面にそれぞれ第１の電極及び第２の電極を有する場合、反射体をこの第２の電極とオーミックコンタクトさせてこの第２の電極の一部又はこの第２の電極の配線の一部を兼用させる。
【０１４６】
また、好適には、反射体は、少なくとも、３０度≦θ1≦９０度のときには、端面をこれに垂直な方向に、９０度＜θ1≦１５０度のときには、端面をこれに垂直な方向を半導体層の光取り出し面で折り返した方向に、この反射体が形成される面に投影した領域を含むように形成する。
【０１４７】
また、好適には、反射体を、半導体層の光取り出し面と反対側の面上に延在して形成する。また、好適には、上記の透明樹脂の屈折率をｎ2、この透明樹脂の外部の媒質（例えば、空気）の屈折率をｎ3としたとき、３０度≦θ1≦１５０度、且つ、３０度≦θ1≦９０度のときθ2≧（θ1−ｓｉｎ-1（ｎ3／ｎ2））／２且つθ2≦θ1／２、９０度＜θ1≦１５０度のときθ2≧（（θ1−９０）−ｓｉｎ-1（ｎ3／ｎ2））／２且つθ2≦（θ1−９０）／２とする。
【０１４８】
反射体は、半導体層の端面に対向する反射面が平面である場合のほか、この反射面が曲面の部分を有する場合もある。また、好適には、半導体層は光取り出し面及びこの光取り出し面と反対側の面にそれぞれ第１の電極及び第２の電極を有し、この第１の電極は上記端面を半導体層の光取り出し面に垂直方向に投影した領域を避けて形成される。
【０１４９】
断面が台形構造を有するＧａＮ系発光素子によれば、光の取り出し効率の大幅な向上を図ることができ、発光効率の大幅な向上を図ることができ、しかも微細化が容易な発光ダイオードを得ることができる。そして、この発光効率が高く、しかも微細な発光ダイオードを用いて高性能の発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置、発光ダイオードディスプレイ、各種の電子機器等を実現することができる。
【０１５０】
図４は、本発明の実施の形態において、ＧａＮ系半導体発光素子（θ1＜９０°）の構成を説明する断面図である。
【０１５１】
図４に示すように、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）は、第１ＧａＮ系化合物層２３、その上の活性層１６及びその上の第２ＧａＮ系化合物層２９により形成されている。第１ＧａＮ系化合物層２３、活性層１６、第２ＧａＮ系化合物層２９は全体として、例えば、円形の平面形状を有し、その端面（側面）２５は第１ＧａＮ系化合物層２３の下面に対して角度θ1傾斜している。これらの第１ＧａＮ系化合物層２３、活性層１６、第２ＧａＮ系化合物層２９の直径方向の断面形状は台形（θ1＜９０度）であり、第２ＧａＮ系化合物層２９上には、例えば、円形のｐ側電極２１Ｂが形成されている。端面２５及びｐ側電極２１Ｂの周囲の部分の第２ＧａＮ系化合物層２９の上面を覆うように透明樹脂２６が形成されている。そして、この透明樹脂２６及びｐ側電極２１Ｂの全体を覆うように反射膜２４が形成されている。第１ＧａＮ系化合物層２３の下面には、例えば、円形のｎ側電極２１Ａが形成されている。
【０１５２】
この、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）は、光取り出し効率の最大化を図るため、次のように構造が最適化されている。
【０１５３】
（１）透明樹脂２６の斜面２７は第１ＧａＮ系化合物層２３の下面に対して角度θ2傾斜しており、従って、反射膜２４も第１ＧａＮ系化合物層２３の下面に対して角度θ2傾斜している。ここで、θ2＜θ1である。これによって、活性層１６から発生し、端面２５から出射する光は、この反射膜２４により反射されて下方に向かい、外部に取り出されやすくなる。
【０１５４】
（２）第１ＧａＮ系化合物層２３、活性層１６及び第２ＧａＮ系化合物層２９の全体の平均屈折率をｎ1としたとき、透明樹脂２６の屈折率ｎ2は空気の屈折率＜ｎ2＜ｎ1となっている。これによって、活性層１６から発生し、端面２５に入射した光は、端面２５の外部の媒質が空気である場合に比べて、この端面２５から外部に出射しやすくなり、最終的に外部に取り出されやすくなる。
【０１５５】
（３）、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）の最大径、即ち、第１ＧａＮ系化合物層２３の下面の直径をａ、全体の厚さ（高さ）をｂとしたとき、アスペクト比ｂ／ａは０．００１〜２、ｂは０．３〜１０μｍの範囲内にある。
【０１５６】
（４）反射膜２４の材料には発光波長の光に対する反射率が極力高いもの、例えば、ＡｇやＡｇを主成分とする金属等を用いる。これによって、端面２５や第２ＧａＮ系化合物層２９の上面から外部に出射した光をこの反射膜２４により効率よく反射させることができ、最終的に外部に取り出されやすくなる。また、この反射膜２４はｐ側電極２１Ｂとオーミックコンタクトしており、ｐ側電極２１Ｂの一部又はｐ側電極２１Ｂに接続される配線の一部を兼用している。これによって、ｐ側電極２１Ｂの抵抗の低減を図ることができ、動作電圧の低減を図ることができる。
【０１５７】
（５）反射膜２４は、図４に示すように、３０度≦θ1≦９０度のときには端面２５をこれに垂直な方向に、９０度＜θ1≦１５０度のときには端面２５をこれに垂直な方向を光取り出し面、即ち、第１ＧａＮ系化合物層２３の下面で折り返した方向に、透明樹脂２６の斜面２７上に投影した領域を少なくとも含むように形成されている。これによって、活性層１６から発生し、端面２５から出射する光のほとんどが、この反射膜２４により反射されて下方に向かい、外部に取り出されやすくなる。
【０１５８】
（６）反射膜２４は、端面２５の上の透明樹脂２６上だけでなく、第２ＧａＮ系化合物層２９の上面の透明樹脂２６上及びｐ側電極２１Ｂ上に形成されている。これによって、活性層１６から発生し、端面２５から出射する光だけでなく、第２ＧａＮ系化合物層２９の上面から出射する光も、この反射膜２４により反射されて下方に向かい、外部に取り出されやすくなる。
【０１５９】
（７）θ1、θ2は、３０度≦θ1≦１５０度、且つ、３０度≦θ1≦９０度のときθ2≧（θ1−ｓｉｎ-1（ｎ3／ｎ2））／２、且つ、θ2≦θ1／２、９０度＜θ1≦１５０度のときθ2≧（（θ1−９０）−ｓｉｎ-1 （ｎ3／ｎ2））／２、且つ、θ2≦（θ1−９０）／２を満たすように選ばれている。ここで、ｎ3は透明樹脂２６の下面に接する外部の媒質の屈折率である。θ1＞９０度の場合には、光取り出し面で全反射した光が反射膜２４に入射する。図４に示すように、上記のθ2≧（θ1−ｓｉｎ-1（ｎ3／ｎ2））／２、又は、θ2≧（（θ1−９０）−ｓｉｎ-1（ｎ3／ｎ2） ）／２は、端面２５からこれに垂直な方向に出射した光が透明樹脂２６と外部の媒質との界面で全反射されない条件である。また、θ2≦θ1／２、又は、θ2≦（θ1−９０）／２は、透明樹脂２６側から端面２５に光が入射しない条件である。
【０１６０】
（８）ｎ側電極２１Ａは、第２ＧａＮ系化合物層２９の上面をこれに垂直な方向に第１ＧａＮ系化合物層２３の下面に投影した領域内に形成されている。これによって、次のような利点を得ることができる。即ち、この、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）においては、活性層１６から発生し、端面２５により反射されて下方に向かい、外部に取り出される光の大部分は、端面２５を第１ＧａＮ系化合物層２３の下面に投影した領域内に集中している。ｎ側電極２１Ａがこの領域に形成されると、外部に取り出される光がこのｎ側電極２１Ａにより遮られて光量の損失が生じるため、ｎ側電極２１Ａはこの領域を避けて、言い換えれば、第２ＧａＮ系化合物層２９の上面をこれに垂直な方向に第１ＧａＮ系化合物層２３の下面に投影した領域内に形成するのが好ましく、この領域内であれば、その一部に形成してもよいし、全部に形成してもよい。
【０１６１】
この、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）の各部の寸法、材料等の具体例を挙げると次の通りである。第１ＧａＮ系化合物層２３の厚さは、例えば、２６００ｎｍ、活性層１６の厚さは、例えば、２００ｎｍ、第２ＧａＮ系化合物層２９の厚さは、例えば、２００ｎｍである。
【０１６２】
活性層１６は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成は、この、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）が青色発光である場合は、例えば、０．１７、緑色発光である場合は、例えば、０．２５である。
【０１６３】
ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）の最大径ａは、例えば、２０μｍである。上記のように第１ＧａＮ系化合物層２３の厚さが２６００ｎｍ、活性層１６及び第２ＧａＮ系化合物層２９の厚さがそれぞれ２００ｎｍである場合、このＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）の全体の厚さは（２６００＋２００＋２００）＝３０００ｎｍ＝３μｍである。この場合、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）の構造のアスペクト比はｂ／ａ＝３／２０＝０．１５である。
【０１６４】
θ1は、例えば、５０度である。透明樹脂２６の屈折率ｎ2が、例えば、１．６、例えば、この透明樹脂２６をスピンコート法により塗布し、この塗布時の厚さが平坦部で１μｍ相当、硬化収縮によりその厚さが７０％ に減少した場合、θ2は、例えば、２０度である。
【０１６５】
ｐ側電極２１Ｂは、例えば、Ａｇ／Ｐｔ／Ａｕ構造の金属多層膜からなり、Ａｇ膜の厚さは、例えば、５０ｎｍ、Ｐｔ膜の厚さは、例えば、５０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さは、例えば、２０００ｎｍである。ｐ側電極２１ＢはＡｇの単層膜からなるものであってもよい。
【０１６６】
反射膜２４は、例えば、Ａｇ／Ａｕ構造の金属多層膜からなり、Ａｇ膜及びＡｕ膜の厚さはそれぞれ、例えば、５０ｎｍである。反射膜２４はＡｇの単層膜からなるものであってもよい。
【０１６７】
ｎ側電極２１Ａは、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造の金属積層膜からなり、Ｔｉ膜及びＰｔ膜の厚さは、例えば、それぞれ５０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さは、例えば、２０００ｎｍである。
【０１６８】
このＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）においては、動作時に活性層１６から発生する光は、端面２５で反射されて第１ＧａＮ系化合物層２３の下面から外部に取り出され、或いは、端面２５及び第２ＧａＮ系化合物層２９の上面から出射して反射膜２４により反射されて透明樹脂２６の下面から外部に取り出され、或いは、直接第１ＧａＮ系化合物層２３の下面に向かってそのまま外部に取り出される。この場合、上記のように各部が光取り出し効率の最大化の観点から最適化されているため、この、ＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）から外部に取り出される光の量は極めて大きい。
【０１６９】
図５は、本発明の実施の形態において、ＧａＮ系半導体発光素子（θ1＞９０°）の構成を説明する断面図である。
【０１７０】
図５に示すように、ＧａＮ系発光素子（θ1＞９０°）１では、第１ＧａＮ系化合物層２３、活性層１６及び第２ＧａＮ系化合物層２９の直径方向の断面形状が逆台形（θ1＞９０度）である。
【０１７１】
図５に示すＧａＮ系発光素子（θ1＞９０°）では、図４に示すＧａＮ系発光素子（θ1＜９０°）に比べて、第２ＧａＮ系化合物層２９の直径を大きくすることができるので、ｐ側電極２１Ｂの直径を大きくすることができる。このため、電流密度の低減を図ることができ、輝度飽和を防止することができると共に、ｐ側電極２１Ｂのコンタクト抵抗の低減を図ることができ、動作電圧の低減を図ることができる。
【０１７２】
以上のように、ＧａＮ系発光素子の構造の最適化により、光の取り出し効率を最大化することができ、発光効率の大幅な向上を図ることができる。上述のＧａＮ系発光素子によれば、例えば、活性層１６から発生した光のうちの約６１．７％を第１ＧａＮ系化合物層２３の下面から取り出すことができる。また、上述のＧａＮ系発光素子は微細化に適した構造を有しており、例えば、数十μｍ以下のサイズの超小型のものを容易に得ることができる。
【０１７３】
上述のＧａＮ系発光素子は青色発光、緑色発光又は赤色発光のものを得ることができ、発光ダイオードディスプレイ、発光ダイオードバックライト、発光ダイオード照明装置等を容易に実現することができる。また、上述のＧａＮ系発光素子は、例えば、携帯電話等の各種の電子機器における表示や照明に用いることもできる。青色発光又は緑色発光の発光ダイオードとして上述のＧａＮ系発光素子を用い、赤色発光の発光ダイオードとして赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を用いてもよい。
【０１７４】
なお、上述のＧａＮ系半導体素子は受光素子として動作させることもでき、この場合、図４、図５に示す構成によれば、受光素子への高い光取り込み効率（光受光効率）を実現することができる。
【０１７５】
本実施の形態によるＧａＮ系半導体素子は２次元マトリックス状に配列される光学装置に搭載することができる。
【０１７６】
この光学装置において、第１方向の各行に配列された複数のＧａＮ系半導体素子の第１の電極が第１方向の各行の共通配線に接続され、第２方向の各列に配列された複数のＧａＮ系半導体素子の第２の電極が第２方向の各列の共通配線に接続されている。
【０１７７】
このような光学装置によって画素部が構成された画像表示装置では、ＧａＮ系半導体素子がパッシブマトリックス駆動される。画像表示装置は、１０万個以上の前記ＧａＮ系半導体素子を有する構成、１００万個以上の前記ＧａＮ系半導体素子を有する高性が好ましい。
【０１７８】
また、このような光学装置によって受光部が構成された２次元受光装置では、ＧａＮ系半導体素子がパッシブマトリックス駆動される。
【０１７９】
複数の発光素子がリクス状に配列されて構成された画像表示装置では、例えば、ＶＧＡ（Video Graphics Array）では、６４０×４８０のドットが求められるので、発光波長をＲ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）の３色とした場合、約９２万個の発光素子が配列されていることになる。
【０１８０】
このような画像表示装置に対する画像信号の供給方法の１つとして単純マトリクス方式（パッシブマトリックス方式とも言う。）による駆動方式がある。この駆動方式では、Ｘ軸方向に沿って配置されたＸ配線、及び、Ｙ軸方向に沿って配置されたＹ配線が形成され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向から電圧を印加することによって、Ｘ配線とＹ配線とが交差する場所でＸ配線とＹ配線に接続された発光素子が駆動される。単純マトリクス方式では、構造が簡単になることから、低コストで歩留まりもよいという利点がある。
【０１８１】
従来の屋外型ＬＥＤディスプレイ（このタイプのディスプレイは、区画化され、区画毎に駆動され、区画毎の素子数は比較的少ない構成である。）や、その他一般的なＬＥＤの用途においては、駆動電流よりも数桁低い漏洩電流はほとんど問題にならなかったが、１０万又は１００万個以上の素子を単純マトリックス方式で駆動させるような場合、漏洩電流に着目しそれを抑制することが必須である。
【０１８２】
発光素子を単純マトリクス方式で駆動する場合には、駆動されない発光素子は逆バイアスの印加によって発光しないように保持されることから、逆バイアスが印加された場合に生じる各発光素子における漏洩電流が問題となってくる。
【０１８３】
単純マトリクス方式では、配線を簡素化するために、Ｘ配線、及び、Ｙ配線がマトリクス状に配列される発光素子に対して共通配線とするため、発光素子毎の漏洩電流も、全体では、１つの発光素子の漏洩電流を素子数の合計で乗じたものに近いものとなる。
【０１８４】
例えば、１つの発光素子当り１μＡであった場合でも、上述のＶＧＡの場合には、合計で１Ａ程度の非常に大きな電流となる。このような状態ではほとんど発光は期待できず、画像表示装置に供給される電力の多くは漏洩電流として無駄に消費されてしまう。このため漏洩電流の大きな発光素子は画像表示装置に使用することが困難となる。また、非常に多くの画素数を有する画像表示装置に使用した場合では、漏洩電流による消費電力の増大のみならず、クロストーク等による画質低下も問題となる。
【０１８５】
図６は、本発明の実施の形態において、単純マトリックス方式で駆動される半導体発光素子装置の部分的な回路構成を説明する図である。
【０１８６】
図６に示すように、単純マトリクス配線方式で駆動するためのＸ方向のＸ配線（Ｘn、Ｘn+1、〜）及びＹ方向のＹ配線（Ｙm、Ｙm+1、〜）に、複数の各ＧａＮ系発光素子（Ｄn,m、Ｄn,m+1、〜、Ｄn+1,m、Ｄn+1,m+1、〜）が接続される。Ｘ配線（Ｘn、Ｘn+1、〜）に、複数の各ＧａＮ系発光素子（Ｄn,m、Ｄn,m+1、〜、Ｄn+1,m、Ｄn+1,m+1、〜）のｐ側電極２１Ｂが接続され、Ｙ配線（Ｙm、Ｙm+1、〜）に、複数の各ＧａＮ系発光素子（Ｄn,m、Ｄn,m+1、〜、Ｄn+1,m、Ｄn+1,m+1、〜）のｎ側電極２１Ａが接続される。
【０１８７】
図７は、本発明の実施の形態において、単純マトリックス方式で駆動される半導体発光素子装置の部分的な回路構成を説明する図である。
【０１８８】
図７によって、単純マトリックス方式で駆動される半導体発光素子装置の部分的な回路構成を、更に、詳細に説明する。
【０１８９】
複数の各ＧａＮ系発光素子は、Ｘ方向のＸ配線（Ｘn、Ｘn+1、Ｘn+2、Ｘn+3、Ｘn+4、〜）、及び、Ｙ方向のＹ配線（Ｙm、Ｙm+1、Ｙm+2、Ｙm+3、Ｙm+4、Ｙm+5、Ｙm+6、〜）に接続される。
【０１９０】
例えば、Ｘ配線（Ｘn）に、複数の各ＧａＮ系発光素子（Ｄn,m、Ｄn,m+1、Ｄn,m+2、Ｄn,m+3、Ｄn,m+4、Ｄn,m+5、Ｄn,m+6、〜）のｐ側電極２１Ｂが接続され、Ｘ配線（Ｘn+1）に、複数の各ＧａＮ系発光素子（Ｄn+1,m、Ｄn+1,m+1、Ｄn+1,m+2、Ｄn+1,m+3、Ｄn+1,m+4、Ｄn+1,m+5、Ｄn+1,m+6、〜）のｐ側電極２１Ｂが接続され、以下、同様に、Ｘ配線（Ｘn+2、Ｘn+3、Ｘn+4、〜）に、複数の各ＧａＮ系発光素子のｐ側電極２１Ｂが接続される。
【０１９１】
例えば、Ｙ配線（Ｙm）に、複数の各ＧａＮ系発光素子（Ｄn,m、Ｄn+1,m、Ｄn+2,m、Ｄn+3,m、Ｄn+4,m、〜）のｎ側電極２１Ａが接続され、Ｙ配線（Ｙm+1）に、複数の各ＧａＮ系発光素子（Ｄn,m+1、Ｄn+1,m+1、Ｄn+2,m+1、Ｄn+3,m+1、Ｄn+4,m+1、〜）のｎ側電極２１Ａが接続され、以下、同様に、Ｙ配線（Ｙm+2、Ｙm+3、Ｙm+4、Ｙm+5、Ｙm+6、〜）に、複数の各ＧａＮ系発光素子のｎ側電極２１Ａが接続される。
【０１９２】
本実の施形態においては、Ｙ方向で共通の発色をするようにＧａＮ系発光素子が配置されており、図６、図７において、Ｘ方向で右方へと、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）を出射するＧａＮ系発光素子が繰り返すように配置されている。例えば、Ｙ配線（Ｙm、Ｙm+3、Ｙm+6、〜）に、Ｒ（赤色光）を出射するＧａＮ系発光素子が配置され、Ｙ配線（Ｙm+1、Ｙm+4、Ｙm+7、〜）に、Ｇ（緑色光）を出射するＧａＮ系発光素子が配置され、Ｙ配線（Ｙm+2、Ｙm+5、Ｙm+8、〜）に、Ｂ（青色光）を出射するＧａＮ系発光素子が配置されている。図６、図７に示す半導体発光素子装置（光学装置）は画像表示装置として使用される。
【０１９３】
なお、Ｒ（赤色光）、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）を出射する発光素子の全てをＧａＮ系発光素子形成することもできるが、Ｇ（緑色光）、Ｂ（青色光）を出射する発光素子をＧａＮ系発光素子で構成し、Ｒ（赤色光）を出射する発光素子をＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子で構成することもできる。
【０１９４】
即ち、単純マトリクス方式の配線を行なう場合に、本実施の形態では、全ての発光素子がＧａＮ系発光素子である必要はなく、マトリクス状に配列される複数の発光素子の一部がＧａＮ系発光素子で構成されていればよい。
【０１９５】
光学装置が画像表示装置である場合、図６、図７に示すような単純マトリクス方式においては、画像表示装置を駆動する場合には、所要の画像信号に基づいて選択されたＸ配線と選択されたＹ配線の間を接続するＧａＮ系発光素子に対して順方向バイアスが印加され、他のＧａＮ系発光素子には逆方向のバイアスが印加される。
【０１９６】
本実施の形態においては、図２に示すＧａＮ系半導体素子の下地層１４のＳｉドープ濃度を３×１０18／ｃｍ3以上としているので、漏洩電流密度を２×１０-5Ａ／ｃｍ2以下とすることができ、好ましくは、Ｓｉドープ濃度を４×１０18／ｃｍ3以上としているので、漏洩電流密度を８×１０-6Ａ／ｃｍ2以下とすることができ、より好ましくは、Ｓｉドープ濃度を８×１０18／ｃｍ3以上としているので、漏洩電流密度を１×１０-6Ａ／ｃｍ2以下とすることができ、更により好ましくは、Ｓｉドープ濃度を１×１０19／ｃｍ3以上としているので、漏洩電流密度を６×１０-7Ａ／ｃｍ2以下とすることができる。
【０１９７】
このように、逆バイアス電圧の印加時、即ち、駆動時に非選択とされているＧａＮ系半導体素子（ＧａＮ系半導体発光素子或いはＧａＮ系半導体受光素子）おける漏洩電流を低減することができ、クロストークによる特性低下を防止すると共に、消費電力の増加を抑制し、安定した良好な動作特性を有するＧａＮ系半導体素子を実現することができる。
【０１９８】
ここで説明のために更に単純なディスプレイとして発光素子を１６０×１２０（ＱＱＶＧＡ素子で単純マトリクス配線した単色の画像表示装置を考える時、発光素子自体には微小な漏洩電流が存在することから、回路的には共通配線された（１６０−１）＝１５９個、又は、（１２０−１）＝１１９個の発光素子に順バイアスの漏洩が発生し、同時に残りの（１６０×１２０−（１５９＋１１９））＝１８９２１個の発光素子に逆バイアスの漏洩が発生する。
【０１９９】
例えば、駆動電流密度を、１０Ａ／ｃｍ2〜１００Ａ／ｃｍ2とすると、１素子当りの逆バイアス印加時の漏洩電流密度は、（１０Ａ／ｃｍ2〜１００Ａ／ｃｍ2）／１８９２１で、約（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2となり、１発光素子当りの逆バイアス印加時の漏洩電流密度がこの約（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2よりも大きければ流した電流が全て漏洩電流となって消費され、所望の発光を行なうことが困難となる。従って、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して約２００００分の１以下に抑制することが要求される。
【０２００】
更に、コントラスト比として１：５００以上が要求され場合には、漏洩電流密度を駆動電流密度に対して１×１０7分の１（即ち、１μＡ／ｃｍ2〜１０μＡ／ｃｍ2）以下に抑制することが望まれる。この場合、１発光素子当りの逆バイアス印加時の漏洩電流密度を（１μＡ／ｃｍ2〜１０μＡ／ｃｍ2）以下とするためには、図１に示す結果から、図２に示す下地層１４のＳｉドープ濃度を、（８×１０18／ｃｍ3〜３×１０18／ｃｍ3）以上となるように構成することが有効であり、発光素子から散逸するような逆バイアス電圧の印加時における漏洩電流を有効に低減させることができる。
【０２０１】
以上の説明では、駆動電流密度を、１０Ａ／ｃｍ2〜１００Ａ／ｃｍ2とし、コントラスト比として１：５００以上を保持しようとする場合において、単色表示のＱＱＶＧＡ画像表示装置を例にとって説明したが、同様にして、ＲＧＢカラー表示のＱＱＶＧＡ画像表示装置の場合には、  漏洩電流密度を（０．３５μＡ／ｃｍ2〜３．５μＡ／ｃｍ2）以下とする必要がある。これを満たすためには、図１に示す結果から、図２に示す下地層１４のＳｉドープ濃度を、(１×１０19／ｃｍ3〜４×１０18／ｃｍ3)以上となるようにすればよい。
同様にして、ＲＧＢカラー表示のＱＶＧＡ画像表示装置の場合には、  漏洩電流密度を（０．１μＡ／ｃｍ2〜０．９μＡ／ｃｍ2）以下とする必要がある。これを満たすためには、図１に示す結果から、図２に示す下地層１４のＳｉドープ濃度を、（１．５×１０19／ｃｍ3〜８×１０18／ｃｍ3）以上となるようにすればよい。
【０２０２】
また、同様にして、駆動電流密度を１００Ａ／ｃｍ2とし、コントラスト比として１：５００以上を保持しようとする場合において、ＲＧＢカラー表示のＶＧＡ、ＳＶＧＡ、ＷＶＧＡ画像表示装置の場合にはそれぞれ、  漏洩電流密度を０．２２μＡ／ｃｍ2以下、０．１４μＡ／ｃｍ2以下、０．１７μＡ／ｃｍ2以下とする必要がある。これを満たすためには、図１に示す結果から、図２に示す下地層１４のＳｉドープ濃度を、１．５×１０19／ｃｍ3以上とすればよい。
【０２０３】
このようにして、非常に多くのＧａＮ系発光素子をマトリクス状に配列させ、複数のＧａＮ系発光素子に接続する一方及び他方の電極を複数のＧａＮ系発光素子の間で共通配線させると共に、共通配された電極に所要の画像信号に基づく信号を供給して、各ＧａＮ系発光素子に画像信号に基づいて電流を注入させて発光させることができる。画像表示装置を構成するＧａＮ系発光素子の数に応じて、図２に示す結果に基づいて下地層１４のＳｉドープ濃度が決定されているので、発光素子から散逸するような逆バイアス電圧の印加時における漏洩電流を有効に減少させることができる。
【０２０４】
本実施の形態によれば、非常に多くの画素数を有する画像表示装置である場合にも、漏洩電流による消費電力の増大のみならず、クロストーク等による画質低下の問題も解決することができる。従って、特に各画素を独立して駆動するような画像表示装置において、画質を向上させることができ、低消費電力化も実現することができる。
【０２０５】
本実施の形態による画像表示装置では、特に限定されるものではないが、ＧａＮ系発光素子のサイズは、例えば、１００μｍ以下程度の微小な発光素子とすることができる。また、共通接続される発光素子の数についても、特に限定されるものではないが、例えば、１００万素子以上の素子を配列した画像表示装置とすることもできる。
【０２０６】
なお、本実施の形態では、光学装置として多色発光可能な画像表示装置を例にとって説明したが、本発明を単色の画像表示装置や、その他の発光色の切り替え可能な照明装置等に適用することも可能である。また、本実施の形態では活性層を多重量子井戸構造としたが、単一量子井戸構造である構成であってもよい。
【０２０７】
図８は、本発明の実施の形態において、ＧａＮ系半導体受光素子の動作制御を説明する図であり、図８（Ａ）は無バイアス動作による光検出を示す図、図８（Ｂ）は逆バイアス印加した状態での光検出を示す図、図８（Ｃ）は単純マトリックス方式で動作制御される受光装置の部分的な回路構成を示す図である。
【０２０８】
ＧａＮ系半導体受光素子（以下、ＧａＮ系受光素子とも言う。）による光検出は、図８（Ａ）に示すようにバイアス電圧を印加しない状態、或いは、高速な応答や受光感度の向上のために図８（Ｂ）に示すように逆バイアスを印加した状態で行われる。ＧａＮ系受光素子では、一般に、受光素子の活性層(受光層)が光の照射を受けないように暗状態とした場合にも、暗電流（漏洩電流）が流れバックグランドノイズとなる。従って、受光素子に逆バイアスを印加した場合に、暗電流が存在すればＳ／Ｎは向上しない。この暗電流を抑制することは、受光素子としてのＳ／Ｎを向上することになる。
【０２０９】
図８（Ｃ）に示すように、ＧａＮ系受光素子は、図６、図７に示すＧａＮ系発光素子と同様に、複数の各ＧａＮ系受光素子は、Ｘ方向のＸ配線（Ｘn、Ｘn+1、Ｘn+2、〜）、及び、Ｙ方向のＹ配線（Ｙm、Ｙm+1、Ｙm+、〜）に接続される。図８ではＧａＮ系受光素子の具体的な構成は図示していないが、各ＧａＮ系受光素子は、図１〜図６に示す各ＧａＮ系発光素子と同じように構成されている。
【０２１０】
例えば、Ｘ配線（Ｘn）に、複数の各ＧａＮ系受光素子（Ｒn,m、Ｒn,m+1、Ｒn,m+2、〜）のｐ側電極２１Ｂが接続され、Ｘ配線（Ｘn+1）に、複数の各ＧａＮ系受光素子（Ｒn+1,m、Ｒn+1,m+1、Ｒn+1,m+2、〜）のｐ側電極２１Ｂが接続され、以下、同様に、Ｘ配線（Ｘn+2、Ｘn+3、Ｘn+4、〜）に、複数の各ＧａＮ系受光素子のｐ側電極２１Ｂが接続される。
【０２１１】
例えば、Ｙ配線（Ｙm）に、複数の各ＧａＮ系受光素子（Ｒn,m、Ｒn+1,m、Ｒn+2,m、〜）のｎ側電極２１Ａが接続され、Ｙ配線（Ｙm+1）に、複数の各ＧａＮ系受光素子（Ｒn,m+1、Ｒn+1,m+1、Ｒn+2,m+1、〜）のｎ側電極２１Ａが接続され、以下、同様に、Ｙ配線（、Ｙm+2、Ｙm+3、Ｙm+4、〜）に、複数の各ＧａＮ系受光素子のｎ側電極２１Ａが接続される。
【０２１２】
また、図８（Ｃ）に示すように、Ｘ配線（Ｘn、Ｘn+1、Ｘn+2、〜）にはＸ配線スイッチ（ＳＸm、ＳＸm+1、ＳＸm+2、〜）、Ｙ配線（Ｙm、Ｙm+1、Ｙm+、〜）にはＹ配線スイッチ（ＳＹm、ＳＹm+1、ＳＹm+2、〜）が設けられている。即ち、Ｘ配線ＸnにスイッチＳＸm、Ｘ配線、Ｘn+1にスイッチＳＸm+1、Ｘ配線Ｘn+2にスイッチＳＸm+2、〜、がそれぞれ設けられて、Ｙ配線ＹmにスイッチＳＹm、Ｙ配線Ｙm+1にスイッチＳＹm+1、Ｙ配線Ｙm+にスイッチＳＹm+2、〜、がそれぞれ設けられている。
【０２１３】
２次元にマトリック状に配列されたＧａＮ系受光素子による光検出は、図８（Ｃ）に示すＸ配線スイッチ（ＳＸm、ＳＸm+1、ＳＸm+2、〜）、及び、Ｙ配線スイッチ（ＳＹm、ＳＹm+1、ＳＹm+2、〜）のオンオフ制御によって、単純マトリックス方式で動作制御される。図８（Ｃ）に示す状態では、Ｘ配線スイッチ（ＳＸm、ＳＸm+1、ＳＸm+2、〜）のうちスイッチＳＸm+2がオンでありその他のスイッチはオフとされ、Ｙ配線スイッチ（ＳＹm、ＳＹm+1、ＳＹm+2、〜）のうちスイッチＳＹm+2がオンでありその他のスイッチはオフとされているので、ＧａＮ系受光素子Ｒn+2,m+2が光検出を行う受光素子として選択され、電流計によって受光による光電流が計測される。
【０２１４】
なお、複数のＧａＮ系受光素子は単純マトリックス方式で動作が制御され、Ｘ配線とＹ配線とが交差する場所でＸ配線とＹ配線に接続された受光素子によって、順次、異なる場所における光検出が行われるが、全てのＧａＮ系受光素子は、バイアス電圧が印加されていない状態（図８（Ａ））か、逆バイアスが印加された状態（図８（Ｂ））の何れかの状態に置かれている。
【０２１５】
以上の説明では、複数のＧａＮ系半導体素子（ＧａＮ系半導体発光素子或いはＧａＮ系半導体受光素子）が２次元マトリックス状に配列された場合について説明したが、複数の半導体素子が１次元に同じ共通配線に接続された場合についても、上述した２次元マトリックス状に配列された場合と同じように、例えば、駆動の待機時に逆バイアス方向に電圧が印加されるような場合、漏洩電流は素子の数だけ増加するので、漏洩電流が大きいと消費電力も増加し、素子の接続先の回路構成によっては回路にダメージを与える可能性等もある。通常、回路側で保護素子（整流素子、ダイオード等）を追加する構成も可能であるが、回路が複雑になりコストの上昇を招いてしまう。
【０２１６】
ＧａＮ系半導体素子（ＧａＮ系半導体発光素子或いはＧａＮ系半導体受光素子）は、ＧａＮ系半導体素子の製造温度履歴にもよるが７００℃〜１４００℃までの高温に対する耐熱性、アンモニア等の腐食性ガスに対する耐腐食性を有しているので、耐熱性又は／及び耐腐食性が要求される環境で動作可能な素子として利用することができる。
【０２１７】
実施例
以下、本発明におけるＧａＮ系半導体発光素子の下地層１４のＳｉドーピング濃度と漏洩電流密度の測定、及び、測定結果について詳細に説明する。
【０２１８】
図９は、本発明の実施例において、ＧａＮ系半導体発光素子の評価の概念を説明する断面図であり、図９（Ａ）はＧａＮ系発光素子の発光強度の評価を説明する図、図９（Ｂ）はＧａＮ系発光素子の漏洩電流の評価を説明する図である。
【０２１９】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、ＧａＮ系発光素子の評価のために、リソグラフィ工程及びエッチング工程によって、ｎ型の導電型を有する第１ＧａＮ系半導体層２３の第１ＧａＮ化合物半導体層１３（図２）が部分的に露出され、第２ＧａＮ系半導体層２９のコンタクト層２０（図２）上にＡｇ／Ｎｉからなるｐ側電極２１Ｂが形成され、第１ＧａＮ系半導体層２３の第１ＧａＮ化合物半導体層１３上にＴｉ／Ａｌからなるｎ側電極２１Ａが形成されている。
【０２２０】
図９（Ａ）に示すように、ＧａＮ系発光素子の発光強度の評価のために、ＧａＮ系発光素子１のｎ側電極２１Ａ及びｐ側電極２の間に、順方向バイアス電圧が印加され、出射される発光強度が光学センサによって検出される。
【０２２１】
図９（Ｂ）に示すように、ＧａＮ系発光素子の漏洩電流の評価のために、ＧａＮ系発光素子１のｎ側電極２１Ａ及びｐ側電極２の間に逆方向バイアス電圧が印加され、ｐ側電極２１Ｂとｎ側電極２１Ａの間に流れる漏洩電流がピコアンペアメータによって検出される。
【０２２２】
以下、下地層１４における、一般的なＳｉドープ濃度である２×１０18／ｃｍ3、及び、これより高濃度とした５×１０18／ｃｍ3、１．３×１０19／ｃｍ3のＳｉドープ濃度について、漏洩電流を測定した結果について、説明する。
【０２２３】
図２に示すサファイア基板１０上に成長させたバッファ層（ＬＴ−ＧａＮ層）１１には約５×１０8ｃｍ-2の濃度の貫通転位が発生しており、転位密度は３種類の試料で同等であった。図２に示す各層を形成した後、窒素雰囲気中でアニールすることによりｐ型層の活性化を行い、ドライエッチングにより第１ＧａＮ系化合物半導体層（ｎ型層）１３を露出させた。表面のコンタクト層（ｐ型層）２０と露出させたｎ型層１３にそれぞれＮｉＡｇとＴｉＡｌからなるｎ側電極２１Ａ、ｐ側電極２１Ｂを形成し、プローバ測定によって逆バイアスを印加した時の漏洩電流を評価した（図９（Ｂ））。このような素子の作成方法は数多くの文献に述べられている通り、エッチング方法・エッチング形状と深さ・電極材料と形状・素子サイズと形状等、多種多様なものがあり得る。また、評価方法としては市販ＬＥＤのようにウェハから素子分離してパッケージにマウントし、エポキシ樹脂やシリコン樹脂で封止してから測定することもできるが、本測定のようにウェハ上でプロービングを行って測定することもできる。
【０２２４】
図１０は、本発明の実施例において、下地層のＳｉドーピング濃度が２×１０18／ｃｍ3である場合のＧａＮ系発光素子のＩ−Ｖ特性を説明する図である。
【０２２５】
図１１は、本発明の実施例において、下地層のＳｉドーピング濃度が５×１０18／ｃｍ3である場合のＧａＮ系発光素子のＩ−Ｖ特性を説明する図である。
【０２２６】
図１２は、本発明の実施例において、下地層のＳｉドーピング濃度が１．３×１０19／ｃｍ3である場合のＩ−Ｖ曲線のＩ−Ｖ特性を説明する図である。
【０２２７】
図１０、図１１、図１２は、室温（３００Ｋ）において、ＳｉがドープされたＧａＮ系発光素子のＩ−Ｖ曲線を示しており、縦軸は漏洩電流値（Ａ、Current）、横軸はバイアス電圧（Ｖ、Voltage）を示している。なお、図１０、図１１、図１２の測定に用いたＧａＮ系発光素子の構成は、図２に示すものと同じ層構成を有し、発光素子の各層の厚さは、図２に関して行った上述の説明の通りである。
【０２２８】
図１０は、Ｓｉが２×１０18／ｃｍ3がドープされたＧａＮ系発光素子の１０個についてのＩ−Ｖ曲線を重畳して示し、図１１は、Ｓｉが５×１０18／ｃｍ3がドープされたＧａＮ系発光素子の９個についてのＩ−Ｖ曲線を重畳して示し、図１２は、Ｓｉが１．９×１０19／ｃｍ3がドープされたＧａＮ系発光素子の６個についてのＩ−Ｖ曲線を重畳して示している。
【０２２９】
なお、図１０、図１１、図１２中に示す検出限界レベルは、非常に微弱な電流を測定しているので、電磁波や熱雑音、振動や光等の種々の環境要因に依存しているが、測定試料に依存するものではない。
【０２３０】
Ｉ−Ｖ曲線の測定に用いたＧａＮ系発光素子の活性層の面積は２０μｍφであり、その面積は約３×１０-6ｃｍ2である。図１０、図１１、図１２にそれぞれ示すＩ−Ｖ曲線から、−５Ｖを印加した場合の平均的な漏洩電流を読み取り上記の活性層の面積で除すと、Ｓｉドープ量２×１０18／ｃｍ3、５×１０18／ｃｍ3、１．３×１０19／ｃｍ3のそれぞれに対応するリーク電流密度は、約１．２×１０-4Ａ／ｃｍ2、約３．２×１０-6Ａ／ｃｍ2、約３．２×１０-7Ａ／ｃｍ2となり、先述した図１に示す結果となる。
【０２３１】
図１０、図１１、図１２に示すＩ−Ｖ曲線から、下地層１４のＳｉドーピング濃度に応じて漏洩電流が抑制できることが分かる。一般的なＳｉドープ濃度である２×１０18ｃｍ-3に対して、２．５倍のＳｉドープ濃度５×１０18ｃｍ-3で漏洩電流に関しては一桁以上の劇的な効果が見られる。また、より高いＳｉドープ濃度１．３×１０19ｃｍ-3では本測定の検出限界近くまで低減している。本測定では漏洩電流値と素子の活性層面積とにはほぼ比例関係が見られ、上述の通り素子化する上で多種多様な形状等があるため、一般化のために漏洩電流を活性層の面積で割った漏洩電流密度をドーピング濃度に対してプロットすると図１のようになる。
【０２３２】
非特許文献３においてＦｉｇ．２（ａ）に、従来のＩｎＧａＮ系ＬＥＤの漏洩電流を詳細に調べた結果の記載されている、温度３００Ｋにおける−５Ｖ印加時の漏洩電流密度、約２×１０-3Ａ／ｃｍ2と比較すると、先述の図１に示した結果は桁違いに低い漏洩電流密度となっている。非特許文献３では、４×１０9／ｃｍ2という非常に多い貫通転位を有し、その１０％弱がＶ-defectsを形成し、そのリーク電流への影響を論じている。先述の図１に示した結果は、５×１０8／ｃｍ2と一桁低いためその比率がそのまま反映されていると考えられる。
【０２３３】
数多くの報告例から転位密度とリーク電流に相関が見られるが、転位密度を５×１０8／ｃｍ2且つＳｉドーピング濃度を２×１０18／ｃｍ3以上とすることは、漏洩電流密度をより小さな値とする点から有効である。ただし、転位密度が非特許文献３に記載のような高い値であっても、転位密度の高い結晶であってもドーピングの主効果であるキャリア濃度やモビリティは特異な変曲点もなく変化するので、本発明によれば下地層１４のＳｉドーピング濃度によって効果的に漏洩電流は下げられると考えられる。
【０２３４】
一般の半導体物理の教科書に述べられているように、ｐｎ接合の付近の高濃度ドーピングはｐｎ接合における接合電界を大きくする。デバイス劣化の主要因として電界拡散（electromigration）が挙げられ、大きな接合電界は電界拡散を引き起こし、漏洩電流の原因になると予想される。しかし、本実施例では、このような予想に反する結果が実際の測定によって確認され、また、ｎ型不純物自体が拡散する場合は、ｐｎ接合の界面付近の高濃度ドープは漏洩源になる可能性も考えられるが、実際には、大幅に低減された漏洩電流が測定結果として得られた。
【０２３５】
漏洩電流の応用上の問題としては様々なものがあるが、例えば、先述のように、ＬＥＤの駆動電流（市販ＬＥＤにおいて典型的には３０Ａ／ｃｍ2、通常１０Ａ／ｃｍ2〜１００Ａ／ｃｍ2程度である。）に対して、２万分の１以下（漏洩電流密度で示すと（０．５〜５）ｍＡ／ｃｍ2以下）に抑制することが必須で、更に、コントラスト比１：５００以上とするならば１千万（１０7）分の１以下（漏洩電流密度で示すと（１〜１０）μＡ／ｃｍ2以下）に抑制することが望ましい。図１に示す結果より、望ましいドーピング濃度としては３×１０18ｃｍ-3以上、より望ましくは８×１０18ｃｍ-3であることが分かる。一般にＧａＮ又はＩｎＧａＮへのＳｉドーピングは２×１０19ｃｍ-3までは比較的容易であるが、３×１０19ｃｍ-3を超えると結晶性が著しく低下し困難になる。
【０２３６】
ドーピング濃度による漏洩電流の低減要因としては、Ｓｉを高濃度に含むことでＧａＮやＩｎＧａＮの結晶性が変化する現象もあるが、他の可能性として高濃度ドーピングにより活性層近傍の空乏層が狭くなりその中に含まれる深い欠陥順位の数が減少する現象もある。
【０２３７】
図２に示すＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１８は超格子構造をもつ構成としてもよい。また、転位の多いサファイア基板上の成長では特に漏洩電流低減効果が大きいが、低転位のＧａＮ基板上でも同様な効果が期待できる。また、逆バイアス印加時に生じる漏洩電流の低減は、並列（一部直列を挟んでもよい。）に多数の発光素子を接続した場合に効果的であり、ディスプレイ応用においては最低でも１０万画素、フルスペックハイビジョン（画素数１９２０×１０８０）では１００万画素以上への採用で最も効果的である。
【０２３８】
非特許文献３に記載のように、漏洩電流は活性層面積（junction Area）に比例し、同じ発光素子面積であれば活性層面積をなるべく大きくとる発光素子は高効率となるが、活性層面積と漏洩電流が比例することから漏洩電流の面では不利になる。しかし、本発明のように下地層のＳｉドーピング濃度を制御することによって、活性層面積を広くとって高発光効率と低漏洩電流を両立させることができ、特に実用上の効果が大である。
【０２３９】
また、ＬＥＤをデバイス化する際に、一方の側の上又は下の片面でｐｎ両電極を形成する方法、サファイア基板等を剥離して又は導電性の基板を用いて上下の面に電極を形成する方法がある。片面にｐｎ両電極を形成する場合、例えば、半透明ｐ型電極を用いた形態や反射電極を用いたフリップチップ型等が可能である。何れの場合も活性層面積を広くとることで駆動電流密度は下がり高発光効率を期待できるが、活性層面積の増加と共に漏洩電流が大となり問題となる可能性がある。
【０２４０】
また、導電性の基板を用いる又はサファイア等の基板を剥離して上下の面に電極を形成する方法においては、エッチングにより活性層を削って一方の電極を作成する必要はなく、チップのほぼ全面を活性層（junction area）とすることができる。これは同じチップ外寸法でも活性総面積を広くとれることから工程簡略化と共に高効率化には有効であるが、同じような漏洩電流の懸念がある。しかし、本発明のように下地層のＳｉドーピング濃度を制御することによって、活性層の面積を広くとって高発光効率と低漏洩電流を両立させることができ、特に実用上の効果が大きい。同じ面でｐ側及びｎ側の電極を形成しないで上下の面にそれぞれ電極を形成することによって、微細なＬＥＤでも、ｐ側及びｎ側の電極同士が接触する可能性が少ないのでｐｎ間の絶縁をしやすいことから、特に１００μｍ角又はφの微小なＬＥＤを高密度に実装することが可能となる。
【０２４１】
以上説明したように、本発明によれば、ＧａＮ系化合物半導体のｐｎ構造からなる発光素子（発光ダイオード又はレーザダイオード）において、逆バイアスの印加時に発生する漏洩電流を抑制でき、意図せず電流が流れることによる消費電力の増大や回路の故障、多数個の発光素子を接続し制御する際に生じるクロストークといった問題を解決できる。従来、低転位密度の基板(例えば、サファイア基板上に選択成長を用いて横方向成長させた基板やバルクＧａＮ基板)を使用すれば、漏洩電流を低減できることが知られていたが、そのような特殊な基板を用いる必要はなく低コストにできる。
【０２４２】
一般に、ｐｎ接合素子は発光素子のみならず受光素子としても利用でき、活性層（量子井戸、シングルへテロ、ダブルへテロ等）で光を吸収し光電効果により電流となる。このような受光素子の場合、漏洩電流は暗電流というバックグランドノイズになるためＳ／Ｎを低下させ、受光感度を上げるために電界をかけても暗電流が共に増加すればＳ／Ｎは向上しない。本発明のＧａＮ系半導体受光素子によれば、暗電流を低下できるため、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【０２４３】
以上、本発明を実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０２４４】
例えば、下地層にドープするＳｉ濃度は、ＧａＮ系半導体素子が使用される目的用途に応じた漏洩電流密度となるように適宜任意に変更することができる。また、ＧａＮ系半導体素子に関する各層の構成、各層の厚さ、大きさ等を含めて、ＧａＮ系半導体素子の形状、大きさ等も使用用途に応じて適宜任意に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２４５】
以上説明したように、本発明によれば、逆バイアスの印加時に発生する漏洩電流を抑制することができるＧａＮ系半導体素子によって、安定した良好な動作特性を保持させることができる光学装置並びにこれを用いた画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２４６】
【図１】本発明の実施の形態において、ＧａＮ系半導体発光素子におけるドーピング濃度と電流密度の関係を説明する図である。
【図２】同上、ＧａＮ系半導体発光素子における層構成を説明する図である。
【図３】同上、ＧａＮ系半導体発光素子の構成を説明する図である。
【図４】同上、ＧａＮ系半導体発光素子（θ1＜９０°）の構成を説明する図である。
【図５】同上、ＧａＮ系半導体発光素子（θ1＞９０°）の構成を説明する図である。
【図６】同上、単純マトリックス方式で駆動される半導体発光素子装置の部分的な回路構成を説明する図である。
【図７】同上、単純マトリックス方式で駆動される半導体発光素子装置の部分的な回路構成を説明する図である。
【図８】同上、ＧａＮ系半導体受光素子の動作制御を説明する図である。
【図９】本発明の実施例において、ＧａＮ系半導体発光素子の評価を説明する図である。
【図１０】同上、ＧａＮ系半導体発光素子のＩ−Ｖ特性を説明する図である。
【図１１】同上、ＧａＮ系半導体発光素子のＩ−Ｖ特性を説明する図である。
【図１２】同上、ＧａＮ系半導体発光素子のＩ−Ｖ特性を説明する図である。
【図１３】従来技術におけるＬＥＤ素子を説明する図である。
【図１４】同上、ＧａＮ半導体素子（ＬＥＤ素子）を説明する図である。
【符号の説明】
【０２４７】
１…ＧａＮ系半導体発光素子、１０…基板、１１…バッファ層、
１２…アンドープＧａＮ層、１３…第１ＧａＮ系化合物半導体層、１４…下地層、
１５…下層スペーサ層、１６…活性層、１６ａ…井戸層、１６ｂ…障壁層、
１７…上層スペーサ層、１８…ＡｌＧａＮ層、１９…第２ＧａＮ系化合物半導体層、
２０…コンタクト層、２１Ａ…ｎ側電極、２１Ｂ…ｐ側電極、
２３…第１ＧａＮ系化合物層、２４…反射膜、２５…端面、２６…透明樹脂、
２７…斜面、２９…第２ＧａＮ系化合物層、
Ｘn、Ｘn+1、Ｘn+2、Ｘn+3、Ｘn+4、〜…Ｘ配線、
Ｙm、Ｙm+1、Ｙm+2、Ｙm+3、Ｙm+4、Ｙm+5、Ｙm+6、〜…Ｙ配線、
Ｄn,m、Ｄn,m+1、Ｄn,m+2、Ｄn,m+3、〜…ＧａＮ系半導体発光素子、
Ｒn,m、Ｒn,m+1、Ｒn,m+2、〜…ＧａＮ系半導体受光素子、
ＳＸm、ＳＸm+1、ＳＸm+2、〜…Ｘ配線スイッチ、
ＳＹm、ＳＹm+1、ＳＹm+2、〜…Ｙ配線スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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