JP2006324280A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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Hiroaki Ota
裕朗 太田
Toshio Nishida
敏夫 西田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light-emitting element capable of moving a carrier smoothly between two semiconductor layers whose composition is different each other without increasing impurity concentration, namely without deteriorating optical characteristics and reliability. <P>SOLUTION: A band gap change layer of which the composition changes is arranged between the two semiconductor layers that are laminated and have different composition mutually in a lamination direction. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の半導体層を積層して形成される半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device formed by stacking a plurality of semiconductor layers.

半導体発光素子はキャリアの再結合により光を発生させる活性層と呼ばれる半導体層及び活性層を両側から挟み活性層にキャリアを供給するキャリア供給層と呼ばれる半導体層から構成されるダブルヘテロ接合構造を基本構造としている。活性層のバンドギャップにより発光する光の波長が定まるため、活性層は所望の波長の光が得られる材料や構成が選択される。キャリア供給層は活性層にキャリアを供給しやすくするために活性層よりバンドギャップが広くなるように設計され、キャリアの極性をコントロールする不純物が添加されている。   The semiconductor light emitting device basically has a double heterojunction structure composed of a semiconductor layer called an active layer that generates light by recombination of carriers and a semiconductor layer called a carrier supply layer that sandwiches the active layer from both sides and supplies carriers to the active layer. It has a structure. Since the wavelength of light to be emitted is determined by the band gap of the active layer, a material and a configuration that can obtain light having a desired wavelength are selected for the active layer. The carrier supply layer is designed to have a wider band gap than the active layer in order to make it easier to supply carriers to the active layer, and an impurity for controlling the polarity of the carrier is added.

半導体発光素子、特にレーザーダイオードにおいては光強度分布(横モード)の単峰性を向上させ、半導体発光素子と光ピックアップ等の外部機器との結合効率を向上させるために、また、効率よく半導体発光素子を発光させるために活性層の一部にキャリアを集中させて供給することが求められる。従って、電極やキャリア供給層を積層方向と垂直な方向に帯状に形成したストライプ構造とすることも多い(例えば、特許文献1参照。)。   In semiconductor light emitting devices, especially laser diodes, in order to improve the unimodality of the light intensity distribution (transverse mode) and improve the coupling efficiency between the semiconductor light emitting devices and external devices such as optical pickups, it is also possible to efficiently emit semiconductor light. In order to cause the device to emit light, it is required to concentrate and supply carriers to a part of the active layer. Therefore, a stripe structure in which electrodes and carrier supply layers are formed in a strip shape in a direction perpendicular to the stacking direction is often used (see, for example, Patent Document 1).

従来の半導体発光素子140の断面の概念図を図14に示す。半導体発光素子140は活性層の一部にキャリアを集中させて供給するためストライプ形状電極を採用している。ストライプ形状電極とは半導体層に隣接して積層された金属等の電極の形状をマイクロストリップラインのように帯状にした電極である。例えば、半導体発光素子140は電極11、n型基板12、電子を供給するキャリア供給層としてn側第一半導体層25、n型第二半導体層27、活性層14、正孔を供給するキャリア供給層としてp側第一半導体層15、p型第二半導体層17及びストライプ形状電極19を積層して構成される。なお、半導体発光素子140において、n型第二半導体層27とn型基板12との間及びp型第二半導体層17とストライプ形状電極19との間の少なくとも一方に一又は二以上の半導体層が配置されることもある。さらに、活性層14は活性層14のp側第一半導体層15の側に電子のキャリアオーバーフローを防ぐ電子バリア層を有することもある。
特開平05−055696号公報。
A conceptual view of a cross section of a conventional semiconductor light emitting device 140 is shown in FIG. The semiconductor light emitting device 140 employs stripe-shaped electrodes to concentrate and supply carriers to a part of the active layer. A stripe-shaped electrode is an electrode in which the shape of an electrode made of metal or the like laminated adjacent to a semiconductor layer is formed like a strip like a microstrip line. For example, the semiconductor light emitting device 140 includes the electrode 11, the n-type substrate 12, the n-side first semiconductor layer 25, the n-type second semiconductor layer 27, the active layer 14 as a carrier supply layer for supplying electrons, and a carrier supply for supplying holes. A p-side first semiconductor layer 15, a p-type second semiconductor layer 17, and a stripe-shaped electrode 19 are stacked as layers. In the semiconductor light emitting device 140, one or more semiconductor layers are provided between at least one of the n-type second semiconductor layer 27 and the n-type substrate 12 and between the p-type second semiconductor layer 17 and the stripe-shaped electrode 19. May be arranged. Further, the active layer 14 may have an electron barrier layer for preventing electron carrier overflow on the p-side first semiconductor layer 15 side of the active layer 14.
Japanese Patent Laid-Open No. 05-055696.

半導体発光素子は、図14に示すように活性層14に対してp型の側においてp型第二半導体層17と活性層14との間に電気特性を改善する目的や活性層14で発光した光を閉じ込める目的でp側第一半導体層15を配置することが多い。しかし、p側第一半導体層15とp型第二半導体層17とのIII族窒化物系化合物の元素の組成が互いに異なる場合、前記二の半導体層との間には分極特性及び格子定数の違いにより、p側第一半導体層15とp型第二半導体層17との間に自発分極や格子ひずみ起因のピエゾ分極(以下、「自発分極や格子ひずみ起因のピエゾ分極」を「分極」と略記する。)に起因する分極電荷が生ずる。従って、p側第一半導体層15とp型第二半導体層17との間に正の分極電荷が生ずる場合、ストライプ形状電極19によってp型第二半導体層17に部分的に注入された正孔は前記分極電荷の電場からの斥力を受ける。従って、p型第二半導体層17からp側第一半導体層15への正孔の輸送が阻害され、正孔は正孔の流れ91のようにp側第一半導体層15内を拡散してしまう。一方、活性層14のn型側においてもp型側と同様にn型第二半導体層27と活性層14との間に電気特性を改善する目的や活性層14で発光した光を閉じ込める目的でn側第一半導体層25を配置することが多く、p型側の説明と同様に前記分極による負の分極電荷が生ずる場合、電子の輸送が阻害されることになる。   The semiconductor light emitting device emits light in the active layer 14 for the purpose of improving electrical characteristics between the p-type second semiconductor layer 17 and the active layer 14 on the p-type side with respect to the active layer 14 as shown in FIG. The p-side first semiconductor layer 15 is often disposed for the purpose of confining light. However, when the composition of the elements of the group III nitride compound in the p-side first semiconductor layer 15 and the p-type second semiconductor layer 17 is different from each other, the polarization characteristics and the lattice constant between the two semiconductor layers are different. Due to the difference, between the p-side first semiconductor layer 15 and the p-type second semiconductor layer 17, spontaneous polarization or piezo polarization caused by lattice strain (hereinafter referred to as “spontaneous polarization or lattice strain-induced piezo polarization”) is referred to as “polarization”. Polarization charge resulting from (abbreviated) is generated. Therefore, when positive polarization charges are generated between the p-side first semiconductor layer 15 and the p-type second semiconductor layer 17, holes partially injected into the p-type second semiconductor layer 17 by the stripe-shaped electrode 19. Receives repulsion from the electric field of the polarization charge. Therefore, the transport of holes from the p-type second semiconductor layer 17 to the p-side first semiconductor layer 15 is hindered, and the holes diffuse in the p-side first semiconductor layer 15 like the hole flow 91. End up. On the other hand, on the n-type side of the active layer 14 as well as the p-type side, the purpose is to improve electrical characteristics between the n-type second semiconductor layer 27 and the active layer 14 and to confine light emitted from the active layer 14. In many cases, the n-side first semiconductor layer 25 is disposed, and when negative polarization charges are generated due to the polarization as in the description on the p-type side, electron transport is hindered.

特にC軸方向に積層したIII族窒化物系化合物のヘテロ構造のヘテロ界面では前記分極電荷が顕著に現れており、不純物濃度を高くすることでキャリアの輸送を円滑としていた。しかし、活性層14の近傍であるp側第一半導体層15及びn側第一半導体層25の不純物濃度を高くすることは、不純物による光吸収、活性層14への不純物拡散等の半導体発光素子140の光学特性及び信頼性に関わり、円滑なキャリア輸送と半導体発光素子140の光学特性及び信頼性とを両立することは困難であるという課題があった。   In particular, the polarization charge appears prominently at the heterointerface of the heterostructure of group III nitride compounds stacked in the C-axis direction, and carrier transport was facilitated by increasing the impurity concentration. However, increasing the impurity concentration of the p-side first semiconductor layer 15 and the n-side first semiconductor layer 25 in the vicinity of the active layer 14 is a semiconductor light emitting device such as light absorption by impurities and impurity diffusion into the active layer 14. In relation to the optical characteristics and reliability of 140, there is a problem that it is difficult to achieve both smooth carrier transport and the optical characteristics and reliability of the semiconductor light emitting device 140.

本願発明は上記課題を解決するためになされたもので、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and carriers can smoothly flow between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. An object is to provide a movable semiconductor light emitting device.

上記目的を達成するために、本願発明は、積層された互いに組成の異なる二の半導体層との間に積層方向に組成が変化するバンドギャップ変化層を配置することとした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a band gap changing layer whose composition changes in the stacking direction is arranged between two stacked semiconductor layers having different compositions.

具体的には、本願第一の発明は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がp型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。 Specifically, the first invention of the present application includes an active layer that generates light by recombination of electrons and holes, and a layer on the p-type side with respect to the active layer. a first semiconductor layer of x Ga y in 1-x- y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride compound represented by the first semiconductor The layer is laminated adjacent to the side opposite to the active layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) And a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction, and a layer adjacent to the side of the band gap changing layer opposite to the first semiconductor layer side. is expressed by a composition formula Al x Ga y In 1-x -y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and represented by I A semiconductor light emitting device comprising a second semiconductor layer of a group I nitride compound, wherein the band gap changing layer is stacked in a stacking direction from an end of the active layer on the p-type side with respect to the active layer. The distance in the stacking direction to reach the center of the width is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less, and the band gap of the band gap change layer is the first semiconductor layer on the side adjacent to the first semiconductor layer The semiconductor light emitting device is characterized by continuously changing monotonously from a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができる半導体である。従って、前記III族窒化物系化合物においてx及びyで指定される組成を単調変化させることで、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップを単調変化させることができる。 The group III nitride compound represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is changed by changing the composition of the band. It is a semiconductor whose gap can be adjusted. Therefore, the band gap of the band gap changing layer can be monotonously changed by monotonically changing the composition designated by x and y in the group III nitride compound.

本願第一の発明では、前記活性層に対して極性がp型の側(以下、「極性がp型の側」を「p型側」と略記する。)において、前記第二半導体層の組成から前記第一半導体層の組成へ連続的に単調変化する前記バンドギャップ変化層を前記第二半導体層の組成と等しい側を前記第二半導体層に隣接し、且つ前記第一半導体層の組成と等しい側を前記第一半導体層に隣接することで、前記第二半導体層から前記第一半導体層へ急峻な組成変化を避け、前記第二半導体層から前記第一半導体層へバンドギャップを連続的に単調変化させることができる。従って、前記バンドギャップ変化層により前記第二半導体層から前記第一半導体層までの間で前記分極電荷を分散させることができ、前記分極電荷の電場からの斥力が低減するため、キャリアである正孔は前記第二半導体層から前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。   In the first invention of the present application, the composition of the second semiconductor layer on the p-type side (hereinafter, “p-type side” is abbreviated as “p-type side”) with respect to the active layer. The band gap changing layer continuously monotonically changing from the first semiconductor layer to the composition of the first semiconductor layer is adjacent to the second semiconductor layer on the side equal to the composition of the second semiconductor layer, and the composition of the first semiconductor layer By adjoining the first semiconductor layer on the same side, a steep composition change from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer is avoided, and a band gap is continuously formed from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer. Can be monotonously changed. Accordingly, the polarization charge can be dispersed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer by the band gap change layer, and the repulsive force from the electric field of the polarization charge is reduced. The holes can smoothly move from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer.

さらに、前記活性層の積層方向の端のうちp型側の端からp型側の積層方向に30(nm)以上200(nm)以下の範囲に前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅(以下、「積層方向の幅」を「膜厚」と略記する。)の中心を配置することで、キャリアは前記第二半導体層、前記バンドギャップ変化層、第一半導体層を円滑に移動して前記活性層に到達することができるため、活性層に近い前記第一半導体層に添加する不純物を低減することができる。   Furthermore, the width of the bandgap change layer in the stacking direction (hereinafter referred to as the width in the stacking direction of the active layer within the range of 30 nm to 200 nm in the stacking direction on the p-type side from the end on the p-type side) , “Width in the stacking direction” is abbreviated as “film thickness.”), The carrier smoothly moves through the second semiconductor layer, the band gap changing layer, and the first semiconductor layer, Since the active layer can be reached, impurities added to the first semiconductor layer close to the active layer can be reduced.

従って、本願第一の発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Therefore, the first invention of the present application provides a semiconductor light-emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. Can be provided.

本願第二の発明は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がp型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。 In the second invention of the present application, an active layer that generates light by recombination of electrons and holes, and a layer on the p-type side with respect to the active layer are laminated, and the composition formula Al x Ga y In 1 A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the active layer of the first semiconductor layer And is laminated adjacent to the side opposite to the other side, and is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition monotonously changes in a direction in a direction and a layer adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side of the band gap changing layer, x Ga y In 1-x- y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride represented by A semiconductor light emitting device comprising a compound second semiconductor layer, wherein an end of the active layer having a p-type polarity with respect to the active layer reaches a center of a width of the band gap change layer in a stacking direction. The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. The semiconductor light emitting device is characterized in that it monotonously changes stepwise from an equal band gap to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができる半導体である。従って、前記組成式において互いに異なる値のx及びyで指定される組成の前記III族窒化物系化合物薄膜を複数積層させ前記バンドギャップ変化層を構成することで、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップを階段状に単調変化させることができる。 The group III nitride compound represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is changed by changing the composition of the band. It is a semiconductor whose gap can be adjusted. Accordingly, the band gap changing layer is formed by stacking a plurality of group III nitride compound thin films having compositions specified by different values of x and y in the composition formula, thereby forming a band gap of the band gap changing layer. Can be monotonously changed stepwise.

本願第二の発明では、前記活性層に対してp型側において前記第二半導体層の組成から前記第一半導体層の組成へ階段状に単調変化する前記バンドギャップ変化層を前記第二半導体層の組成と等しい側を前記第二半導体層に隣接し、且つ前記第一半導体層の組成と等しい側を前記第一半導体層に隣接することで、前記第二半導体層から前記第一半導体層へ急峻な組成変化を避け、前記第二半導体層から前記第一半導体層へバンドギャップを階段状に単調変化させることができる。従って、前記バンドギャップ変化層により前記第二半導体層から前記第一半導体層までの間で前記分極電荷を分散することができ、前記分極電荷の電場からの斥力が低減するため、キャリアである正孔は前記第二半導体層から前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。   In the second invention of the present application, the band gap changing layer that monotonously changes stepwise from the composition of the second semiconductor layer to the composition of the first semiconductor layer on the p-type side with respect to the active layer is the second semiconductor layer. A side equal to the composition of the first semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer and a side equal to the composition of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer, so that the second semiconductor layer to the first semiconductor layer The band gap can be monotonously changed stepwise from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer while avoiding a steep composition change. Accordingly, the polarization charge can be dispersed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer by the band gap change layer, and the repulsive force from the electric field of the polarization charge is reduced. The holes can smoothly move from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer.

さらに、前記活性層の積層方向の端のうちp型側の端からp型側の積層方向に30(nm)以上200(nm)以下の範囲に前記バンドギャップ変化層の膜厚の中心を配置することで、キャリアは前記第二半導体層、前記バンドギャップ変化層、第一半導体層を円滑に移動して前記活性層に到達することができるため、活性層に近い前記第一半導体層に添加する不純物を低減することができる。   Furthermore, the center of the film thickness of the band gap change layer is arranged in the range of 30 (nm) to 200 (nm) in the stacking direction on the p-type side from the end on the stacking direction of the active layer. By doing so, carriers can smoothly move through the second semiconductor layer, the band gap change layer, and the first semiconductor layer to reach the active layer. Therefore, the carriers are added to the first semiconductor layer close to the active layer. Impurities to be reduced can be reduced.

従って、本願第二の発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Therefore, the second invention of the present application provides a semiconductor light-emitting device that can smoothly move carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can be provided.

本願第一の発明又は本願第二の発明に係る半導体発光素子は、前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極をさらに備え、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでメサ状であってもよい。   The semiconductor light emitting device according to the first invention of the present application or the second invention of the present application further includes an electrode for applying a voltage from the outside to the side of the second semiconductor layer opposite to the side of the bandgap changing layer, A mesa shape may be used from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer.

前記活性層の一部にキャリアを集中させて供給するため半導体発光素子の一部をメサ状に形成(以下、「半導体発光素子の一部をメサ状に形成した部分」を「メサ部」と略記する。)して、キャリアの移動路を狭め、電流を狭搾することもある。   A part of the semiconductor light emitting element is formed in a mesa shape so that carriers are concentrated and supplied to a part of the active layer (hereinafter, a “part in which a part of the semiconductor light emitting element is formed in a mesa shape” is referred to as a “mesa portion”. It may be abbreviated) to narrow the carrier movement path and squeeze the current.

前記メサ部において組成が互いに異なるIII族窒化物系化合物を積層した場合、正孔は前記分極電荷の斥力を受け、結晶性の悪いメサ部の側壁付近に集中して移動することになり、円滑な正孔輸送が阻害されることになる。本願発明において前記第一半導体層に至るまでをメサ状とした場合、前記メサ部に前記バンドギャップ変化層が含まれ、前記分極電荷を低減することができるため、正孔はメサ部の中央付近を移動することができ、前記第二半導体層から前記第一半導体層への正孔輸送を円滑とすることができる。   When a group III nitride compound having a different composition in the mesa portion is laminated, the holes receive the repulsive force of the polarization charge and move in a concentrated manner near the side wall of the mesa portion having poor crystallinity. Hole transport is hindered. In the present invention, when the first semiconductor layer is formed in a mesa shape, the band gap changing layer is included in the mesa portion, and the polarization charge can be reduced, so that the hole is near the center of the mesa portion. And the hole transport from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer can be made smooth.

一方、前記メサ部と前記活性層との間において組成が互いに異なるIII族窒化物系化合物を積層した場合、正孔は前記分極電荷の斥力を受け、前記メサ部により狭搾され注入された正孔が前記III族窒化物系化合物内を拡散することになる。本願発明において前記第二半導体層に至るまでをメサ状とした場合、メサ部通過した正孔は前記バンドギャップ変化層による前記分極電荷の低減により前記第二半導体層内で拡散せず、前記第二半導体層から前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。   On the other hand, when a group III nitride compound having a different composition is laminated between the mesa portion and the active layer, the positive holes are subjected to the repulsive force of the polarization charge, and are positively injected by the mesa portion. The holes diffuse in the group III nitride compound. In the present invention, when the second semiconductor layer is formed in a mesa shape, the holes that have passed through the mesa portion are not diffused in the second semiconductor layer due to the reduction of the polarization charge by the band gap change layer, and the first semiconductor layer is not diffused. It can move smoothly from the two semiconductor layers to the first semiconductor layer.

従って、本願第一の発明又は本願第二の発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。電子と比較し、有効質量が大きい正孔は結晶性の悪い前記メサ部の側壁付近の影響を受けやすく前記バンドギャップ変化層の効果は大きい。   Therefore, in the first invention of the present application or the second invention of the present application, carriers are smoothly transferred between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. A movable semiconductor light emitting element can be provided. Compared with electrons, holes having a large effective mass are easily affected by the vicinity of the side wall of the mesa portion having poor crystallinity, and the effect of the band gap changing layer is large.

本願第三の発明は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がn型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がn型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。 The third invention of the present application includes an active layer that generates light by recombination of electrons and holes, and a layer that is laminated on the n-type side with respect to the active layer, and has a composition formula of Al x Ga y In 1. A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the active layer of the first semiconductor layer And is laminated adjacent to the side opposite to the other side, and is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonically in the direction, and is laminated adjacent to the side of the band gap changing layer opposite to the first semiconductor layer side, the composition formula Al x Ga y In 1-x- y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride represented by A semiconductor light emitting device comprising a compound second semiconductor layer, wherein the end of the active layer on the n-type side of the active layer reaches the center of the width of the band gap change layer in the stacking direction. The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A semiconductor light emitting device characterized by continuously changing monotonously from an equal band gap to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

前記活性層に対して極性がn型の側(以下、「極性がn型の側」を「n型側」と略記する。)においても本願第一の発明の説明と同様に、前記バンドギャップ変化層により前記第二半導体層から前記第一半導体層までの間で前記分極電荷を分散することができ、前記分極電荷の電場から受ける斥力が低減するため、キャリアである電子は前記第二半導体層から前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。   Similarly to the description of the first invention of the present application, the band gap is also on the n-type side with respect to the active layer (hereinafter, “the n-type side” is abbreviated as “n-type side”). Since the polarization charge can be dispersed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer by the change layer, and the repulsive force received from the electric field of the polarization charge is reduced, electrons serving as carriers are the second semiconductor. It can move smoothly from the layer to the first semiconductor layer.

さらに、前記活性層の積層方向の端のうちn型側の端からn型側の積層方向に30(nm)以上200(nm)以下の範囲に前記バンドギャップ変化層の膜厚の中心を配置することで、キャリアは前記第二半導体層、前記バンドギャップ変化層、第一半導体層を円滑に移動して前記活性層に到達することができるため、活性層に近い前記第一半導体層に添加する不純物を低減することができる。   Further, the center of the film thickness of the band gap change layer is arranged in the range of 30 (nm) or more and 200 (nm) or less in the stacking direction on the n-type side from the end of the stacking direction of the active layer. By doing so, carriers can smoothly move through the second semiconductor layer, the band gap change layer, and the first semiconductor layer to reach the active layer. Therefore, the carriers are added to the first semiconductor layer close to the active layer. Impurities to be reduced can be reduced.

従って、本願第三の発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the third invention of the present application provides a semiconductor light-emitting device that can smoothly move carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can be provided.

本願第四の発明は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がn型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がn型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。 According to a fourth aspect of the present invention, an active layer that generates light by recombination of electrons and holes, and a layer on the n-type side of the active layer are stacked, and the composition formula Al x Ga y In 1 A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the active layer of the first semiconductor layer And is laminated adjacent to the side opposite to the other side, and is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition monotonously changes in a direction in a direction and a layer adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side of the band gap changing layer, x Ga y In 1-x- y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride represented by A semiconductor light emitting device comprising a compound second semiconductor layer, wherein the end of the active layer on the n-type side of the active layer reaches the center of the width of the band gap change layer in the stacking direction. The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. The semiconductor light emitting device is characterized in that it monotonously changes stepwise from an equal band gap to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

前記活性層に対してn型側においても本願第二の発明の説明と同様に、前記バンドギャップ変化層により前記第二半導体層から前記第一半導体層までの間で前記分極電荷を分散することができ、前記分極電荷の電場から受ける斥力が低減するため、キャリアである電子は前記第二半導体層から前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。   Also on the n-type side with respect to the active layer, the polarization charge is dispersed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer by the band gap changing layer, as in the description of the second invention of the present application. Since the repulsive force received from the electric field of the polarization charge is reduced, electrons as carriers can smoothly move from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer.

さらに、前記活性層の積層方向の端のうちn型側の端からn型側の積層方向に30(nm)以上200(nm)以下の範囲に前記バンドギャップ変化層の膜厚の中心を配置することで、キャリアは前記第二半導体層、前記バンドギャップ変化層、第一半導体層を円滑に移動して前記活性層に到達することができるため、活性層に近い前記第一半導体層に添加する不純物を低減することができる。   Further, the center of the film thickness of the band gap change layer is arranged in the range of 30 (nm) or more and 200 (nm) or less in the stacking direction on the n-type side from the end of the stacking direction of the active layer. By doing so, carriers can smoothly move through the second semiconductor layer, the band gap change layer, and the first semiconductor layer to reach the active layer. Therefore, the carriers are added to the first semiconductor layer close to the active layer. Impurities to be reduced can be reduced.

従って、本願第四の発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Therefore, the fourth invention of the present application provides a semiconductor light-emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. Can be provided.

本願発明に係る半導体発光素子の前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅は3(nm)以上100(nm)未満であることが望ましい。   The width of the band gap changing layer in the stacking direction of the semiconductor light emitting device according to the present invention is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm).

前記第一半導体層と前記第二半導体層との間の急峻な組成変化を緩和する目的に挿入される前記バンドギャップ変化層の膜厚は、前記目的達成のために3(nm)以上であることが求められる。一方、前記バンドギャップ変化層は膜厚に比例し電気抵抗が大きくなるため、前記バンドギャップ変化層の膜厚は100(nm)未満が望ましい。   The film thickness of the band gap changing layer inserted for the purpose of relaxing the steep composition change between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 3 (nm) or more for achieving the object. Is required. On the other hand, the band gap change layer is proportional to the film thickness, and the electric resistance increases. Therefore, the film thickness of the band gap change layer is preferably less than 100 (nm).

従って、本願発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. Can do.

本願発明に係る半導体発光素子の前記第二半導体層のバンドギャップは前記第一半導体層のバンドギャップより広いことが好ましい。   In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the band gap of the second semiconductor layer is preferably wider than the band gap of the first semiconductor layer.

前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物のバンドギャップを前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物のバンドギャップより広くすることで、キャリアにとって前記第二半導体層より前記第一半導体層の方がエネルギー的に安定する。従って、キャリアは前記第二半導体層から前記バンドギャップ変化層を通り、前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。   By making the band gap of the group III nitride compound of the second semiconductor layer wider than the band gap of the group III nitride compound of the first semiconductor layer, the first semiconductor layer for carriers is more than the second semiconductor layer. Is more stable in terms of energy. Accordingly, carriers can smoothly move from the second semiconductor layer through the band gap changing layer to the first semiconductor layer.

従って、本願発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. Can do.

本願発明に係る半導体発光素子は、前記第一半導体層、前記バンドギャップ変化層及び前記第二半導体層の積層方向と前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶、前記バンドギャップ変化層のIII族窒化物系化合物の結晶及び前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶のC軸方向とが平行であることが好ましい。   The semiconductor light emitting device according to the present invention includes a stacking direction of the first semiconductor layer, the band gap change layer, and the second semiconductor layer, a crystal of a group III nitride compound of the first semiconductor layer, and the band gap change layer. It is preferable that the group III nitride compound crystal and the group III nitride compound crystal of the second semiconductor layer are parallel to the C-axis direction.

前記分極電荷が顕著に現れる前記III族窒化物系化合物の結晶をC軸方向に揃えて積層した場合であっても、前記第一半導体層、前記バンドギャップ変化層及び前記第二半導体層を順に積層することで、前記分極電荷は小さくなり、前記第一半導体層から前記第二半導体層へのキャリア輸送を円滑することができる。   Even when the crystal of the group III nitride compound in which the polarization charge appears remarkably is laminated in the C-axis direction, the first semiconductor layer, the band gap change layer, and the second semiconductor layer are sequentially formed. By laminating, the polarization charge is reduced, and carrier transport from the first semiconductor layer to the second semiconductor layer can be facilitated.

従って、本願発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. Can do.

本願発明に係る半導体発光素子は、前記第一半導体層は前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1であり、前記活性層で発生した光を導波する光ガイド層として機能し、前記第二半導体層は前記組成式においてx=m(0.05≦m≦0.1)及びx+y=1の関係であり、前記活性層にキャリアを供給するクラッド層として機能し、且つ前記バンドギャップ変化層は前記組成式において0≦x≦m及びx+y=1の関係の範囲であり、構造全体として半導体レーザとしての機能を有することが好ましい。   In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the first semiconductor layer has x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, and functions as a light guide layer for guiding light generated in the active layer. The second semiconductor layer has a relationship of x = m (0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1 in the composition formula, functions as a clad layer for supplying carriers to the active layer, and The band gap changing layer has a relationship of 0 ≦ x ≦ m and x + y = 1 in the composition formula, and preferably has a function as a semiconductor laser as a whole structure.

前記第二半導体層の前記III族窒化物系化合物の組成を前記組成式においてx=m(0.05≦m≦0.1)及びx+y=1とする、すなわちAlGa1−mNとし、前記第一半導体層の前記III族窒化物系化合物の組成を前記組成式においてx=0及びy=1とする、すなわちGaNとすることで、前記第二半導体層のバンドギャップは前記第一半導体層のバンドギャップより大きくなる。従って、キャリアは前記第二半導体層から前記バンドギャップ変化層を通り、前記第一半導体層へ円滑に移動することができ、前記第二半導体層はキャリアを供給するクラッド層として機能する。 The composition of the group III nitride compound of the second semiconductor layer is x = m (0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1 in the composition formula, that is, Al m Ga 1-m N. By setting the composition of the group III nitride compound of the first semiconductor layer to x = 0 and y = 1 in the composition formula, that is, GaN, the band gap of the second semiconductor layer is the first semiconductor layer. It becomes larger than the band gap of the semiconductor layer. Accordingly, carriers can smoothly move from the second semiconductor layer through the band gap changing layer to the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer functions as a cladding layer for supplying carriers.

また、前記第一半導体層の前記III族窒化物系化合物の組成を前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1とする、すなわちGaN又はInGaN化合物とすることで屈折率が小さくなり前記活性層で発生した光は前記第一半導体層で反射する。活性層に対してp型側及び/又はn型側に前記第一半導体層を配置することで前記活性層で発生した光は前記第一半導体層を導波するとともに誘導放出を促し、前記第一半導体層は光ガイド層として機能する。   Moreover, the refractive index is reduced by setting the composition of the group III nitride compound of the first semiconductor layer to x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, that is, GaN or InGaN compound. Light generated in the active layer is reflected by the first semiconductor layer. By disposing the first semiconductor layer on the p-type side and / or the n-type side with respect to the active layer, the light generated in the active layer guides the first semiconductor layer and stimulates emission, One semiconductor layer functions as a light guide layer.

従って、本願発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動でき、半導体レーザとして機能する半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor that can smoothly move carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability, and functions as a semiconductor laser. A light-emitting element can be provided.

本願発明に係る半導体発光素子は、前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物と前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度をρ(cm−2)、前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅をd(cm)と表したとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度n(cm−3)は、0.5ρ/d≦n≦3ρ/dの範囲であることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the charge density of polarization generated at the adjacent interface between the group III nitride compound of the first semiconductor layer and the group III nitride compound of the second semiconductor layer is ρ (cm − 2 ) When the width of the band gap change layer in the stacking direction is expressed as d (cm), the impurity concentration n (cm −3 ) of the impurity added to the band gap change layer is 0.5ρ / d ≦ It is preferable that n ≦ 3ρ / d.

前記半導体発光素子の電気抵抗を下げるために、前記バンドギャップ変化層には不純物を添加することが好ましい。一方、不純物濃度が高い場合、結晶欠陥が増加するため、半導体発光素子の電気抵抗が上昇し、結晶欠陥に光が吸収される量が増加して半導体発光素子の発光効率が低下することになる。また、不純物としてMgを添加した場合、Mg拡散により半導体発光素子が劣化して信頼性が低下することになる。従って、前記バンドギャップ変化層の不純物濃度は前記の範囲であることが好ましい。   In order to lower the electrical resistance of the semiconductor light emitting device, it is preferable to add an impurity to the band gap changing layer. On the other hand, when the impurity concentration is high, crystal defects increase, so that the electrical resistance of the semiconductor light emitting device increases, the amount of light absorbed by the crystal defects increases, and the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device decreases. . Further, when Mg is added as an impurity, the semiconductor light emitting element is deteriorated due to Mg diffusion, and the reliability is lowered. Therefore, the impurity concentration of the band gap changing layer is preferably within the above range.

従って、本願発明は、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. Can do.

本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability. .

以下、本願発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本願発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below.

(実施の形態1)
本実施形態は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がp型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, an active layer that generates light by recombination of electrons and holes is stacked on the p-type side of the active layer, and the composition formula Al x Ga y In 1-x A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the active layer side of the first semiconductor layer Is laminated adjacent to the opposite side, and is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), A band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously and a layer adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side of the band gap changing layer are laminated, and the composition formula Al x Ga y In 1-x-y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride reduction represented A semiconductor light emitting device comprising: a second semiconductor layer comprising: a second semiconductor layer, the end of the active layer having a p-type polarity with respect to the active layer, and a center of a width of the band gap change layer in a stacking direction. The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A semiconductor light emitting device characterized by continuously changing monotonously from an equal band gap to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子101の断面の概念図を図1に示す。半導体発光素子101は電極11、n型基板12、n型下地層13、n側第一半導体層25、n型第二半導体層27、活性層14、p側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16、p型第二半導体層17、p型コンタクト層18及びストライプ形状電極19を備える。半導体発光素子101はn型基板12上に各半導体層を積層しており、活性層14に対してストライプ形状電極19の側の半導体層、すなわち活性層14に対してp型側において少なくともp型第二半導体層17及びp型コンタクト層18をp型としている。一方、活性層14に対して電極11の側の半導体層、すなわち活性層14に対してn型側において少なくともn型第二半導体層27、n型下地層13及びn型基板12をn型としている。半導体発光素子101は電極11とストライプ形状電極19とでn型基板12を含む半導体層を挟み込んだ裏面電極型の半導体発光素子である。   The conceptual diagram of the cross section of the semiconductor light emitting element 101 which is one embodiment which concerns on 1st invention of this application is shown in FIG. The semiconductor light emitting device 101 includes an electrode 11, an n-type substrate 12, an n-type underlayer 13, an n-side first semiconductor layer 25, an n-type second semiconductor layer 27, an active layer 14, a p-side first semiconductor layer 15, and a p-side band. A gap change layer 16, a p-type second semiconductor layer 17, a p-type contact layer 18, and a stripe-shaped electrode 19 are provided. In the semiconductor light emitting device 101, each semiconductor layer is stacked on an n-type substrate 12, and at least a p-type semiconductor layer on the stripe-shaped electrode 19 side with respect to the active layer 14, that is, on the p-type side with respect to the active layer 14. The second semiconductor layer 17 and the p-type contact layer 18 are p-type. On the other hand, the semiconductor layer on the electrode 11 side with respect to the active layer 14, that is, at least the n-type second semiconductor layer 27, the n-type base layer 13, and the n-type substrate 12 on the n-type side with respect to the active layer 14 Yes. The semiconductor light emitting device 101 is a back electrode type semiconductor light emitting device in which a semiconductor layer including the n-type substrate 12 is sandwiched between the electrode 11 and the stripe-shaped electrode 19.

電極11及びストライプ形状電極19は半導体発光素子101に電圧を印加するために配置される。電極と半導体とが接触したときに整流性を生ずれば半導体発光素子としての効率を損なうため、電極11及びストライプ形状電極19は半導体とオーム接触できる素材であることが望ましい。さらに、外部の電源等の装置との配線との接触抵抗が小さい素材であることが望ましい。そのため、半導体と接触する素材と配線と接続する素材との間にバッファとなる素材を挟む構造であることが好ましい。例えば、n型半導体と接触する電極11の素材としては、Ti/Al/Ti/AuやAl/Auが例示される。p型半導体と接触するストライプ形状電極19の素材としては、Ni/Au、Pd/Au及びPt/Auが例示される。   The electrode 11 and the stripe-shaped electrode 19 are arranged for applying a voltage to the semiconductor light emitting device 101. Since the efficiency as a semiconductor light emitting device is impaired if rectification occurs when the electrode and the semiconductor are in contact with each other, the electrode 11 and the stripe-shaped electrode 19 are desirably made of a material that can make ohmic contact with the semiconductor. Furthermore, it is desirable that the material has a small contact resistance with a wiring with an external power supply or other device. Therefore, a structure in which a material serving as a buffer is sandwiched between a material in contact with a semiconductor and a material connected to a wiring is preferable. For example, Ti / Al / Ti / Au and Al / Au are exemplified as the material of the electrode 11 in contact with the n-type semiconductor. Examples of the material of the stripe-shaped electrode 19 that contacts the p-type semiconductor include Ni / Au, Pd / Au, and Pt / Au.

電極11はn型基板12との接触抵抗を低減するためにn型基板12のn型下地層13を積層した側と反対側(以下、「n型基板12のn型下地層13を積層した側と反対側」を「n型基板12の裏面」と略記する。)全面に積層していることが好ましい。一方、ストライプ形状電極19は活性層14の一部にキャリアを集中させて供給するためp型コンタクト層18上に帯状に配置される。   In order to reduce the contact resistance with the n-type substrate 12, the electrode 11 is opposite to the side of the n-type substrate 12 where the n-type underlayer 13 is laminated (hereinafter referred to as “the n-type underlayer 13 of the n-type substrate 12 is laminated). The side opposite to the side ”is abbreviated as“ back surface of the n-type substrate 12 ”. On the other hand, the stripe-shaped electrode 19 is disposed in a strip shape on the p-type contact layer 18 in order to concentrate and supply carriers to a part of the active layer 14.

n型基板12は半導体薄膜で構成される半導体発光素子101を物理的に支えるために配置される。半導体発光素子101の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物」を「AlGaIn1−x−yN化合物」と略記する。)を積層させる場合は窒化ガリウム(GaN)又は炭化珪素(SiC)が例示される。 The n-type substrate 12 is disposed to physically support the semiconductor light emitting device 101 composed of a semiconductor thin film. A material on which a semiconductor thin film is favorably grown is selected as the substrate of the semiconductor light emitting device 101. For example, a group III nitride compound represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) (hereinafter “composition formula”) “Group III nitride compound represented by Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1”) is referred to as “Al x Ga y In 1− When abbreviated as “ xy N compound”), gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) is exemplified.

活性層14は電子及び正孔の再結合により光を発光する層である。活性層14に採用される素材のバンドギャップにより発光する光の波長が定まる。活性層14に採用される素材は発光効率の高い直接遷移型の半導体であることが好ましい。AlGaIn1−x−yN化合物薄膜を使用することで、組成変更により幅広いバンドギャップを作り出すことができ、所望の波長の半導体発光素子を製造することができる。また、活性層14はバンドギャップが互いに異なる少なくとも二種類の半導体薄膜を交互に配置させることで、バンドギャップの広い方の半導体薄膜を障壁層とし、バンドギャップの狭い方の半導体薄膜を井戸層とした多重量子井戸構造(MQW)とすることもできる。活性層14を前記MQWとすることで特定のエネルギー状態に電子が集中し、小電流でも効率よく発光することが実現できる。MQWとした場合、前記井戸層のバンドギャップで発光する光の波長が定まる。なお、前記MQWの両端を障壁層としてもよく、井戸層としてもよい。例えば、前記障壁層として前記組成式においてx=0、y=q(0.95≦q≦1、好ましくは0.97≦q≦1)、すなわち組成式がGaIn1−qNと表されるIII族窒化物系化合物薄膜と前記井戸層として前記組成式においてx=0、y=p(p<q且つ0.80≦p≦0.95、好ましくは0.85≦p≦0.9)、すなわち組成式がGaIn1−pNと表されるIII族窒化物系化合物薄膜とを組み合わせたMQWが例示される。なお、以下の記載において「組成式がGaNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GaN化合物」と略記し、「組成式がGaIn1−qNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GaIn1−qN化合物」と略記し、「組成式がGaIn1−pNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GaIn1−pN化合物」と略記する。 The active layer 14 is a layer that emits light by recombination of electrons and holes. The wavelength of the emitted light is determined by the band gap of the material used for the active layer 14. The material employed for the active layer 14 is preferably a direct transition type semiconductor with high luminous efficiency. By using the Al x Ga y In 1-xy N compound thin film, a wide band gap can be created by changing the composition, and a semiconductor light emitting device having a desired wavelength can be manufactured. In addition, the active layer 14 is formed by alternately arranging at least two types of semiconductor thin films having different band gaps, so that the semiconductor thin film having the wider band gap is used as the barrier layer, and the semiconductor thin film having the narrow band gap is used as the well layer. A multiple quantum well structure (MQW) can also be used. By setting the active layer 14 to the MQW, it is possible to realize that light is efficiently emitted even with a small current because electrons are concentrated in a specific energy state. When MQW is used, the wavelength of light emitted by the band gap of the well layer is determined. Note that both ends of the MQW may be barrier layers or well layers. For example, as the barrier layer, x = 0, y = q (0.95 ≦ q ≦ 1, preferably 0.97 ≦ q ≦ 1) in the composition formula, that is, the composition formula is expressed as Ga q In 1-q N. In the composition formula, the group III nitride compound thin film and the well layer are formed with x = 0, y = p (p <q and 0.80 ≦ p ≦ 0.95, preferably 0.85 ≦ p ≦ 0. 9), that the composition formula is a combination of an III nitride compound film represented as Ga p In 1-p N MQW are illustrated. In the following description, “Group III nitride compound whose composition formula is represented as GaN” is abbreviated as “GaN compound”, and “Group III nitride whose composition formula is represented as Ga q In 1-q N”. system compound "and abbreviated as" Ga q In 1-q N compound ", a" group III nitride based compound composition formula is expressed as Ga p In 1-p N "," Ga p In 1-p N compound ".

前記障壁層の膜厚は5(nm)以上20(nm)以下が好ましく、7(nm)以上15(nm)以下がより好ましい。   The thickness of the barrier layer is preferably 5 (nm) or more and 20 (nm) or less, and more preferably 7 (nm) or more and 15 (nm) or less.

前記井戸層の膜厚は1(nm)以上10(nm)以下が好ましく、3(nm)以上5(nm)以下がより好ましい。   The thickness of the well layer is preferably 1 (nm) to 10 (nm), and more preferably 3 (nm) to 5 (nm).

活性層14の膜厚のうちMQWの膜厚(前記障壁層と前記井戸層との膜厚の合計)は380(nm)以上480(nm)以下であることが好ましい。   Of the film thickness of the active layer 14, the MQW film thickness (the total film thickness of the barrier layer and the well layer) is preferably 380 nm or more and 480 nm or less.

さらに、半導体発光素子の発光に伴う発熱による熱エネルギーを受けた電子が量子井戸の障壁を越えてp型側の半導体層へ移動してしまうキャリアオーバーフローという現象を防止するAlGaIn1−x−yN化合物の電子バリア層を前記MQWに対してp型側の前記MQWの端に配置してもよい。前記電子バリア層はバンドギャップが広く、伝送帯の底部準位が高いため、前記熱エネルギーを得た電子であっても前記電子バリア層を通過してp型側の半導体層へ移動することができない。例えば、前記電子バリア層として前記組成式においてx=s、x+y=1(0.1≦s≦0.3、好ましくは0.15≦s≦0.25)、すなわち組成式がAlGa1−sNと表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式がAlGa1−sNと表されるIII族窒化物系化合物」を「AlGa1−sN化合物」と略記する。)薄膜が例示される。前記電子バリア層の膜厚は10(nm)以上30(nm)以下、好ましくは15(nm)以上25(nm)以下であることが例示される。キャリアオーバーフローの電子はp型の半導体層において、発光に携わらない無効キャリアとなって半導体発光素子の発光効率を低下させるため、活性層14は前記電子バリア層を有することで無効キャリアを減少させることができ、半導体発光素子の発光効率を高くすることができる。 Further, Al x Ga y In 1− prevents the phenomenon of carrier overflow, in which electrons receiving heat energy due to heat generated by light emission of the semiconductor light emitting element move to the p-type semiconductor layer beyond the barrier of the quantum well. an electron barrier layer of x-y N compound may be placed on the edge of the MQW p-side with respect to the MQW. Since the electron barrier layer has a wide band gap and the bottom level of the transmission band is high, even electrons having obtained the thermal energy can pass through the electron barrier layer and move to the p-type semiconductor layer. Can not. For example, x = s and x + y = 1 (0.1 ≦ s ≦ 0.3, preferably 0.15 ≦ s ≦ 0.25) in the composition formula as the electron barrier layer, that is, the composition formula is Al s Ga 1. group III represented as -s N nitride compound (hereinafter, the "group III nitride based compound composition formula is represented as Al s Ga 1-s N", "Al s Ga 1-s N compound" Abbreviated.) A thin film is illustrated. The film thickness of the electron barrier layer is 10 (nm) or more and 30 (nm) or less, preferably 15 (nm) or more and 25 (nm) or less. In the p-type semiconductor layer, carrier overflowed electrons become ineffective carriers that do not participate in light emission and reduce the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device. Therefore, the active layer 14 has the electron barrier layer to reduce ineffective carriers. Thus, the light emission efficiency of the semiconductor light emitting element can be increased.

n型第二半導体層27はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。n型第二半導体層27は前記組成式においてx=m(0.01≦m≦0.15、好ましくは0.05≦m≦0.1)、x+y=1の関係、すなわち組成式がAlGa1−mNと表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式がAlGa1−mNと表されるIII族窒化物系化合物」を「AlGa1−mN化合物」と略記する。)が例示される。n型第二半導体層27はキャリア密度を高めるためn型不純物、例えばSiが添加される。不純物濃度は5×1017(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下であることが例示される。n型第二半導体層27の膜厚は300(nm)以上2000(nm)以下が好ましく、400(nm)以上1200(nm)以下であることがより好ましい。 The n-type second semiconductor layer 27 is a semiconductor layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound. The n-type second semiconductor layer 27 has a relationship of x = m (0.01 ≦ m ≦ 0.15, preferably 0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1 in the composition formula, that is, the composition formula is Al. Group III nitride compound represented by m Ga 1-m N (hereinafter, “Group III nitride compound represented by a composition formula of Al m Ga 1-m N” is referred to as “Al m Ga 1-m N”. Abbreviated as "compound"). The n-type second semiconductor layer 27 is added with an n-type impurity such as Si in order to increase the carrier density. The impurity concentration is exemplified to be 5 × 10 17 (cm −3 ) or more and 1 × 10 19 (cm −3 ) or less. The film thickness of the n-type second semiconductor layer 27 is preferably 300 (nm) or more and 2000 (nm) or less, and more preferably 400 (nm) or more and 1200 (nm) or less.

n側第一半導体層25はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。活性層14に不純物が拡散しないようにn側第一半導体層25には不純物は添加されない、又はn型第二半導体層27に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、n側第一半導体層25のバンドギャップは活性層14のバンドギャップより広くかつn型第二半導体層27のバンドギャップより狭く設計される。活性層14が前記MQWである場合、n側第一半導体層25のバンドギャップは前記MQWを構成する障壁層のバンドギャップより広く、n型第二半導体層27のバンドギャップより狭い。具体的には、n側第一半導体層25の組成を前記組成式においてx=0及びy=1とする、すなわちGaN化合物とすることが例示される。なお、n側第一半導体層25の組成を前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1とする、すなわちGaInN化合物としてもよい。n側第一半導体層25の膜厚は20(nm)以上200(nm)以下が好ましく、50(nm)以上150(nm)以下であることがより好ましい。 The n-side first semiconductor layer 25 is a semiconductor layer of Al x Ga y In 1-xy N compound. An impurity is not added to the n-side first semiconductor layer 25 so that the impurity does not diffuse into the active layer 14, or a concentration lower than the concentration of the impurity added to the n-type second semiconductor layer 27 is designed. The band gap of the n-side first semiconductor layer 25 is designed to be wider than the band gap of the active layer 14 and narrower than the band gap of the n-type second semiconductor layer 27. When the active layer 14 is the MQW, the band gap of the n-side first semiconductor layer 25 is wider than the band gap of the barrier layer constituting the MQW and narrower than the band gap of the n-type second semiconductor layer 27. Specifically, the composition of the n-side first semiconductor layer 25 is exemplified by x = 0 and y = 1 in the composition formula, that is, a GaN compound. The composition of the n-side first semiconductor layer 25 may be x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, that is, a GaInN compound. The film thickness of the n-side first semiconductor layer 25 is preferably 20 (nm) or more and 200 (nm) or less, and more preferably 50 (nm) or more and 150 (nm) or less.

p型第二半導体層17はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。p型第二半導体層17は前記組成式においてx=m(0.01≦m≦0.15、好ましくは0.05≦m≦0.1)、x+y=1の関係、すなわちAlGa1−mN化合物が例示される。p型第二半導体層17はキャリア密度を高めるためp型不純物、例えばMgが添加される。不純物濃度は5×1018(cm−3)以上1×1020(cm−3)以下であることが例示される。p型第二半導体層17の膜厚は100(nm)以上2000(nm)以下が好ましく、200(nm)以上500(nm)以下であることがより好ましい。 The p-type second semiconductor layer 17 is a semiconductor layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound. The p-type second semiconductor layer 17 has a relationship of x = m (0.01 ≦ m ≦ 0.15, preferably 0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1 in the composition formula, that is, Al m Ga 1. -MN compounds are exemplified. The p-type second semiconductor layer 17 is added with a p-type impurity such as Mg in order to increase the carrier density. The impurity concentration is exemplified to be 5 × 10 18 (cm −3 ) or more and 1 × 10 20 (cm −3 ) or less. The film thickness of the p-type second semiconductor layer 17 is preferably 100 (nm) or more and 2000 (nm) or less, and more preferably 200 (nm) or more and 500 (nm) or less.

p側第一半導体層15はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。活性層14に不純物が拡散しないようにp側第一半導体層15には不純物は添加されない、又はp型第二半導体層17に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、p型第一半導体層15のバンドギャップは活性層14のバンドギャップより広く設計される。活性層14が前記MQWである場合、p側第一半導体層15のバンドギャップは前記MQWを構成する障壁層のバンドギャップより広く、p型第二半導体層17のバンドギャップより狭い。具体的には、p側第一半導体層15の組成を前記組成式においてx=0及びy=1とする、すなわちGaN化合物とすることが例示される。なお、p側第一半導体層15の組成を前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1とする、すなわちGaInN化合物としてもよい。p側第一半導体層15の膜厚は20(nm)以上200(nm)以下が好ましく、50(nm)以上150(nm)以下であることがより好ましい。 The p-side first semiconductor layer 15 is a semiconductor layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound. To prevent the impurities from diffusing into the active layer 14, no impurities are added to the p-side first semiconductor layer 15, or the concentration is lower than the concentration of impurities added to the p-type second semiconductor layer 17. Further, the band gap of the p-type first semiconductor layer 15 is designed to be wider than the band gap of the active layer 14. When the active layer 14 is the MQW, the band gap of the p-side first semiconductor layer 15 is wider than the band gap of the barrier layer constituting the MQW and narrower than the band gap of the p-type second semiconductor layer 17. Specifically, the composition of the p-side first semiconductor layer 15 is exemplified by x = 0 and y = 1 in the composition formula, that is, a GaN compound. The composition of the p-side first semiconductor layer 15 may be x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, that is, a GaInN compound. The thickness of the p-side first semiconductor layer 15 is preferably 20 (nm) or more and 200 (nm) or less, and more preferably 50 (nm) or more and 150 (nm) or less.

p側バンドギャップ変化層16は積層方向に組成が連続的に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。すなわち、p側バンドギャップ変化層16は積層方向においてp側バンドギャップ変化層16の一の側から他の側へ前記組成式におけるx及びyの値が連続的に単調変化する組成を有する。例えば、p側バンドギャップ変化層16は、積層方向に対するp側バンドギャップ変化層16の一の側が前記組成式においてx=0及びy=1であるGaN化合物であり、他の側が前記組成式においてx=0.08及びy=0.92であるAl0.08Ga0.92N化合物であり、前記一の側から前記他の側へ向かって前記組成式においてxの値が0から0.08へ連続的に単調変化し且つyの値がx+y=1の関係を保ちつつ1から0.92へ連続的に単調変化する組成を有する。 The p-side band gap change layer 16 is a layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction. That is, the p-side band gap change layer 16 has a composition in which the values of x and y in the composition formula continuously and monotonously change from one side to the other side in the stacking direction. For example, the p-side band gap changing layer 16 is a GaN compound in which one side of the p-side band gap changing layer 16 with respect to the stacking direction is x = 0 and y = 1 in the composition formula, and the other side is in the composition formula. an Al 0.08 Ga 0.92 N compound in which x = 0.08 and y = 0.92, and the value of x in the composition formula is 0 to 0. 0 from the one side toward the other side. The composition has a monotonous change continuously to 08 and the value of y continuously monotonously changes from 1 to 0.92 while maintaining the relationship of x + y = 1.

p側バンドギャップ変化層16は組成が連続的に単調変化するため、p側バンドギャップ変化層16内において急峻な組成変化による格子ひずみを低減できる。   Since the composition of the p-side band gap changing layer 16 continuously monotonously changes, lattice distortion due to a sharp composition change in the p-side band gap changing layer 16 can be reduced.

なお、p側バンドギャップ変化層16の膜厚は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましく、3(nm)以上50(nm)以下であることがより好ましい。   The film thickness of the p-side band gap changing layer 16 is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm), and more preferably 3 (nm) or more and 50 (nm) or less.

p側バンドギャップ変化層16にはp型とするためにp型不純物を添加してもよい。具体的にはp型不純物としてMgが例示される。例えば、不純物濃度を1×1018(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下とすることが例示できる。 A p-type impurity may be added to the p-side band gap changing layer 16 in order to make it p-type. Specifically, Mg is exemplified as the p-type impurity. For example, the impurity concentration can be 1 × 10 18 (cm −3 ) or more and 1 × 10 19 (cm −3 ) or less.

なお、前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物と前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度をρ(cm−2)、前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅をd(cm)と表したとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度n(cm−3)は、数1の範囲、すなわち電荷密度ρをバンドギャップ変化層の膜厚dで除算した商の50%以上300%以下の範囲であることが好ましい。

Figure 2006324280
The charge density of polarization generated at the adjacent interface between the group III nitride compound of the first semiconductor layer and the group III nitride compound of the second semiconductor layer is ρ (cm −2 ), and the band gap change When the width in the stacking direction of the layer is expressed as d (cm), the impurity concentration n (cm −3 ) of the impurity added to the band gap changing layer is in the range of Formula 1, that is, the charge density ρ is changed in the band gap. It is preferably in the range of 50% to 300% of the quotient divided by the layer thickness d.
Figure 2006324280

さらに円滑なキャリア輸送のため数2の範囲であることが好ましく、数3の範囲であることがより好ましい。

Figure 2006324280
Figure 2006324280
Furthermore, it is preferable that it is the range of several 2 for smooth carrier transport, and it is more preferable that it is the range of several 3.
Figure 2006324280
Figure 2006324280

GaN化合物とAl0.08Ga0.92N化合物との間に配置されるバンドギャップ変化層の不純物濃度を以下に例示する。GaN化合物とAl0.08Ga0.92N化合物との界面に生ずる分極電荷密度はρ=3×1012(cm−2)である。バンドギャップ変化層の膜厚を10(nm)としたとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度nは1.5×1018(cm−3)以上9×1018(cm−3)以下の範囲であることが好ましい。 The impurity concentration of the band gap change layer disposed between the GaN compound and the Al 0.08 Ga 0.92 N compound is exemplified below. The polarization charge density generated at the interface between the GaN compound and the Al 0.08 Ga 0.92 N compound is ρ = 3 × 10 12 (cm −2 ). When the film thickness of the band gap changing layer is 10 (nm), the impurity concentration n of the impurity added to the band gap changing layer is 1.5 × 10 18 (cm −3 ) or more and 9 × 10 18 (cm − 3 ) The following range is preferable.

p型コンタクト層18はストライプ形状電極19とオーム接触するための半導体層である。例えば、膜厚が10(nm)以上100(nm)以下のGaN化合物が例示できる。p型コンタクト層18がGaN化合物の場合、添加する不純物としてMgが例示される。   The p-type contact layer 18 is a semiconductor layer for making ohmic contact with the stripe-shaped electrode 19. For example, a GaN compound having a film thickness of 10 (nm) to 100 (nm) can be exemplified. When the p-type contact layer 18 is a GaN compound, Mg is exemplified as an impurity to be added.

n型下地層13はn型下地層13上に積層する半導体の結晶性を向上させることができる。例えば、膜厚1μm以上5μm以下のSiを不純物としてn型としたGaN化合物が例示できる。不純物濃度は5×1017(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下であることが例示される。 The n-type underlayer 13 can improve the crystallinity of the semiconductor stacked on the n-type underlayer 13. For example, a GaN compound having n-type Si with a film thickness of 1 μm or more and 5 μm or less can be exemplified. The impurity concentration is exemplified to be 5 × 10 17 (cm −3 ) or more and 1 × 10 19 (cm −3 ) or less.

半導体発光素子101はn型基板12上にn型下地層13、n型第二半導体層27、n側第一半導体層25、活性層14、p側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。各半導体層を積層する手段は後述する。   The semiconductor light emitting device 101 includes an n-type underlayer 13, an n-type second semiconductor layer 27, an n-side first semiconductor layer 25, an active layer 14, a p-side first semiconductor layer 15, and a p-side band gap change on the n-type substrate 12. The layer 16, the p-type second semiconductor layer 17, and the p-type contact layer 18 are stacked in this order. Means for laminating each semiconductor layer will be described later.

p側バンドギャップ変化層16の前記一の側の組成をp側第一半導体層15の組成と等しくし、前記他の側の組成をp型第二半導体層17の組成と等しくした場合、p側バンドギャップ変化層16の前記一の側とp側第一半導体層15とを隣接し、及び前記他の側とp型第二半導体層17とを隣接するようにp側バンドギャップ変化層16を積層する。p側第一半導体層15からp型第二半導体層17に至るまで組成が連続的に単調変化するため、p側第一半導体層15からp型第二半導体層17に至るまでバンドギャップも連続的に単調変化する。例えば、p側第一半導体層15がGaN化合物であり、p型第二半導体層17が組成式Al0.08Ga0.92N化合物である場合、p側バンドギャップ変化層16の前記一の側の組成をGaNとし、前記他の側の組成をAl0.08Ga0.92Nとすることで、p側第一半導体層15とp側バンドギャップ変化層16との間及びp側バンドギャップ変化層16とp型第二半導体層17との間に急峻な組成の変化がなくなり、p側第一半導体層15からp型第二半導体層17に至るまで組成は連続的に単調変化する。 When the composition of the one side of the p-side band gap changing layer 16 is equal to the composition of the p-side first semiconductor layer 15 and the composition of the other side is equal to the composition of the p-type second semiconductor layer 17, p The p-side bandgap changing layer 16 is arranged so that the one side of the side bandgap changing layer 16 and the p-side first semiconductor layer 15 are adjacent to each other, and the other side and the p-type second semiconductor layer 17 are adjacent to each other. Are laminated. Since the composition continuously and monotonously changes from the p-side first semiconductor layer 15 to the p-type second semiconductor layer 17, the band gap also continues from the p-side first semiconductor layer 15 to the p-type second semiconductor layer 17. Changes monotonically. For example, when the p-side first semiconductor layer 15 is a GaN compound and the p-type second semiconductor layer 17 is a composition formula Al 0.08 Ga 0.92 N compound, the one of the p-side band gap changing layer 16 is By setting the composition on the side to GaN and the composition on the other side to Al 0.08 Ga 0.92 N, the p-side band and the p-side first semiconductor layer 15 and the p-side bandgap changing layer 16 are separated. The steep composition change disappears between the gap change layer 16 and the p-type second semiconductor layer 17, and the composition continuously and monotonously changes from the p-side first semiconductor layer 15 to the p-type second semiconductor layer 17. .

従って、p側第一半導体層15とp側バンドギャップ変化層16との間及びp側バンドギャップ変化層16とp型第二半導体層17との間に急峻な組成の変化がなくなるため、キャリア輸送を阻害していた分極電荷を分散させることができ、正孔はp型第二半導体層17からp側第一半導体層15へ円滑に移動することができる。   Accordingly, since there is no steep composition change between the p-side first semiconductor layer 15 and the p-side band gap change layer 16 and between the p-side band gap change layer 16 and the p-type second semiconductor layer 17, the carrier Polarized charges that have hindered transport can be dispersed, and holes can move smoothly from the p-type second semiconductor layer 17 to the p-side first semiconductor layer 15.

半導体発光素子101の各半導体層は有機金属気相成長法(以下、「有機金属気相成長法」を「MOCVD法」と略記する。)を利用して積層される。MOCVD法は原料ガスを反応炉(チャンバ)に導き入れ、チャンバ内に固定され、摂氏600度から摂氏1100度に維持された基板上で原料ガスを熱分解して反応させ薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。原料ガスの流量及び濃度、反応温度及び時間、希釈ガスの種類等の製造パラメータを制御することで組成や膜厚の異なる半導体層を容易に積層して製造することができる。   Each semiconductor layer of the semiconductor light emitting device 101 is laminated using a metal organic vapor phase epitaxy method (hereinafter, “metal organic vapor phase epitaxy” is abbreviated as “MOCVD method”). The MOCVD method is a method in which a raw material gas is introduced into a reaction furnace (chamber) and fixed in the chamber, and the raw material gas is thermally decomposed and reacted on a substrate maintained at 600 to 1100 degrees Celsius to epitaxially grow a thin film. is there. By controlling manufacturing parameters such as the flow rate and concentration of the source gas, the reaction temperature and time, and the type of dilution gas, it is possible to easily stack and manufacture semiconductor layers having different compositions and film thicknesses.

n型下地層13、n型第二半導体層27、n側第一半導体層25、活性層14、p側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18がAlGaIn1−x−yN化合物薄膜の場合、MOCVD法はIII属元素としてGa(CH(トリメチルガリウム、以下「TMG」と略記する。)、In(C(トリエチルインジウム、以下「TMI」と略記する。)及びAl(CH(トリメチルアルミニウム、以下「TMA」と略記する。)をキャリアガスである水素又は窒素でバブリングさせた蒸気を原料ガスとして使用し、窒化物とするためにアンモニア蒸気を使用する。また、不純物はp型ドーパントとしてCPMg(シクロペンタジエニルマグネシウム)又はn型ドーパントとしてSiH(シラン)も同様に蒸気としてチャンバに導き入れることができる。MOCVD法はCPMg又はSiH、TMG、TMI、TMA及びアンモニアを所定の混合比で混合した混合ガスの流量ならびに基板温度の製造パラメータで所望のAlGaIn1−x−yN化合物を成長させることができる。MOCVD法はAlGaIn1−x−yN化合物の膜厚を反応時間で制御することができる。 n-type underlayer 13, n-type second semiconductor layer 27, n-side first semiconductor layer 25, active layer 14, p-side first semiconductor layer 15, p-side band gap changing layer 16, p-type second semiconductor layer 17, and When the p-type contact layer 18 is an Al x Ga y In 1-xy N compound thin film, the MOCVD method uses Ga (CH 3 ) 3 (trimethylgallium, hereinafter abbreviated as “TMG”), In as the group III element. (C 2 H 5 ) 3 (triethylindium, hereinafter abbreviated as “TMI”) and Al (CH 3 ) 3 (trimethylaluminum, hereinafter abbreviated as “TMA”) were bubbled with hydrogen or nitrogen as a carrier gas. The vapor thus used is used as a raw material gas, and ammonia vapor is used to form a nitride. Further, as impurities, CP 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) as a p-type dopant and SiH 4 (silane) as an n-type dopant can be introduced into the chamber as vapor as well. The MOCVD method uses a desired Al x Ga y In 1-xy N compound with a flow rate of a mixed gas in which CP 2 Mg or SiH 4 , TMG, TMI, TMA and ammonia are mixed at a predetermined mixing ratio and a substrate temperature manufacturing parameter. Can grow. The MOCVD method can control the film thickness of the Al x Ga y In 1-xy N compound by the reaction time.

具体的に、半導体発光素子101は以下のように作成される。n形基板12をチャンバ内に導入し、前記チャンバ内をキャリアガスで置換すると共にn形基板12の温度を600〜1100℃程度に昇温する。   Specifically, the semiconductor light emitting device 101 is created as follows. The n-type substrate 12 is introduced into the chamber, the inside of the chamber is replaced with a carrier gas, and the temperature of the n-type substrate 12 is raised to about 600 to 1100 ° C.

以下、原料ガスは水素又は窒素のキャリアガスにてチャンバに導入する。   Hereinafter, the source gas is introduced into the chamber by a hydrogen or nitrogen carrier gas.

次いで、GaN化合物が成長するようにTMG、アンモニア及びSiHの原料ガスを所定の割合で混合した混合ガス(混合ガスA)を導入して、所定の時間n型基板12上で反応させてn形下地層13を積層する。 Next, a mixed gas (mixed gas A) in which source gases of TMG, ammonia and SiH 4 are mixed at a predetermined ratio so that the GaN compound grows is introduced and reacted on the n-type substrate 12 for a predetermined time. The shape base layer 13 is laminated.

次いで、n型第二半導体層27が成長する比率でTMG、TMI、TMA、アンモニア及びSiHの原料ガスを混合した混合ガス(混合ガスB)を導入して、所定の時間n型下地層13上で反応させてn型第二半導体層27を積層する。例えば、n型第二半導体層27がAl0.08Ga0.92N化合物である場合、TMG、TMA、アンモニア及びSiHの混合ガスBを使用する。 Next, a mixed gas (mixed gas B) in which source gases of TMG, TMI, TMA, ammonia and SiH 4 are mixed at a growth rate of the n-type second semiconductor layer 27 is introduced, and the n-type underlayer 13 is supplied for a predetermined time. The n-type second semiconductor layer 27 is stacked by reacting above. For example, when the n-type second semiconductor layer 27 is an Al 0.08 Ga 0.92 N compound, a mixed gas B of TMG, TMA, ammonia and SiH 4 is used.

同様に、n側第一半導体層25が成長する比率でTMG、TMI、TMA、アンモニア及びSiHの原料ガスを混合した混合ガス(混合ガスC)を導入して、所定の時間n型第二半導体層27上で反応させてn側第一半導体層25を積層する。なお、不純物を添加しない場合はSiHを止めて反応させる。例えば、n側第一半導体層25がノンドープのGaN化合物である場合、TMG及びアンモニアの混合ガスCを使用する。 Similarly, a mixed gas (mixed gas C) in which source gases of TMG, TMI, TMA, ammonia, and SiH 4 are mixed at a growth rate of the n-side first semiconductor layer 25 is introduced for a predetermined time for the n-type second semiconductor layer 25. The n-side first semiconductor layer 25 is stacked by reacting on the semiconductor layer 27. In the case of adding no impurity is reacted stop the SiH 4. For example, when the n-side first semiconductor layer 25 is a non-doped GaN compound, a mixed gas C of TMG and ammonia is used.

同様に、n側第一半導体層25上に活性層14を積層する。なお、活性層14がMQWの場合には製造パラメータを所定の時間毎に切り替えることで前記障壁層と前記井戸層とを交互に積層することができる。さらに、活性層14が電子バリア層を有する場合には所定の時刻に製造パラメータを切り替えることでMQWのp型側の端に電子バリア層を積層できる。   Similarly, the active layer 14 is stacked on the n-side first semiconductor layer 25. When the active layer 14 is MQW, the barrier layers and the well layers can be alternately stacked by switching manufacturing parameters at predetermined time intervals. Further, when the active layer 14 has an electron barrier layer, the electron barrier layer can be stacked on the end of the MQW on the p-type side by switching manufacturing parameters at a predetermined time.

例えば、障壁層がGa0.97In0.03N化合物薄膜、井戸層がGa0.9In0.1N化合物薄膜、電子バリア層がAl0.2Ga0.8N化合物からなる活性層14を積層する場合、まず、n側第一半導体層25上に井戸層を積層するためTMG、TMI及びアンモニアの混合ガス(混合ガスD)でGa0.9In0.1N化合物薄膜を成長させる。次いで、前記井戸層の上に障壁層を積層するためにTMG、TMI及びアンモニアの混合ガス(混合ガスE)でGa0.97In0.03N化合物薄膜を成長させる。続いて、再び、混合ガスDに切り替え、井戸層を積層する。さらに、混合ガスEに切り替え、障壁層を積層する。同様に混合ガスDと混合ガスEとを所定回数切り替えることで所定数の井戸層を形成できる。所定数の井戸層を形成した後、電子バリア層を積層するためにTMG、TMA、CPMg及びアンモニアの混合ガス(混合ガスF)でAl0.2Ga0.8N化合物薄膜を成長させる。 For example, the barrier layer is a Ga 0.97 In 0.03 N compound thin film, the well layer is a Ga 0.9 In 0.1 N compound thin film, and the electron barrier layer is an active layer made of an Al 0.2 Ga 0.8 N compound. 14 is first grown, a Ga 0.9 In 0.1 N compound thin film is grown with a mixed gas of TMG, TMI and ammonia (mixed gas D) in order to stack a well layer on the n-side first semiconductor layer 25. Let Next, a Ga 0.97 In 0.03 N compound thin film is grown using a mixed gas of TMG, TMI, and ammonia (mixed gas E) to form a barrier layer on the well layer. Subsequently, the mixed gas D is switched again, and a well layer is stacked. Furthermore, it switches to the mixed gas E and a barrier layer is laminated | stacked. Similarly, a predetermined number of well layers can be formed by switching the mixed gas D and the mixed gas E a predetermined number of times. After forming a predetermined number of well layers, an Al 0.2 Ga 0.8 N compound thin film is grown with a mixed gas (mixed gas F) of TMG, TMA, CP 2 Mg and ammonia in order to stack an electron barrier layer. .

活性層14を積層した後、p側第一半導体層15が成長するTMG、TMI、TMA、アンモニア及びCPMgの混合比の混合ガス(混合ガスG)を導入して、所定の時間活性層14上で反応させてp側第一半導体層15を積層する。例えば、p側第一半導体層15がノンドープのGaN化合物である場合、TMG及びアンモニアの混合ガスGを使用する。 After laminating the active layer 14, a mixed gas (mixed gas G) with a mixed ratio of TMG, TMI, TMA, ammonia and CP 2 Mg on which the p-side first semiconductor layer 15 is grown is introduced for a predetermined time. Then, the p-side first semiconductor layer 15 is stacked by reacting on the substrate 14. For example, when the p-side first semiconductor layer 15 is a non-doped GaN compound, a mixed gas G of TMG and ammonia is used.

次いで、p側第一半導体層15上にp側バンドギャップ変化層16を積層する。p側バンドギャップ変化層16を積層するための反応ガスについては後述する。   Next, the p-side band gap changing layer 16 is stacked on the p-side first semiconductor layer 15. The reaction gas for laminating the p-side band gap changing layer 16 will be described later.

次いで、p型第二半導体層17が成長するTMG、TMI、TMA、アンモニア及びCPMgの混合比の混合ガス(混合ガスH)を導入して、所定の時間p側バンドギャップ16上で反応させてp型第二半導体層17を積層する。例えば、p型第二半導体層17がAl0.08Ga0.92N化合物である場合、TMG、TMA、アンモニア及びCPMgを所定の割合の混合ガスHを使用する。 Next, a mixed gas (mixed gas H) having a mixed ratio of TMG, TMI, TMA, ammonia, and CP 2 Mg on which the p-type second semiconductor layer 17 is grown is introduced and reacted on the p-side band gap 16 for a predetermined time. Then, the p-type second semiconductor layer 17 is laminated. For example, when the p-type second semiconductor layer 17 is an Al 0.08 Ga 0.92 N compound, a mixed gas H containing TMG, TMA, ammonia, and CP 2 Mg in a predetermined ratio is used.

p側バンドギャップ変化層16の成長において、反応時刻に応じて混合ガスGから混合ガスHへTMG、TMI、TMA及びアンモニアの混合比を連続的に単調変化させることで、p側第一半導体層15からp型第二半導体層17まで積層方向に組成が単調変化し、バンドギャップの急峻な変化のない半導体層を得ることができる。また、CPMgを反応ガスに加えることでp側バンドギャップ変化層16をp型とすることができる。 In the growth of the p-side bandgap changing layer 16, the p-side first semiconductor layer is continuously and monotonously changed from the mixed gas G to the mixed gas H according to the reaction time, from the mixed gas TMG, TMI, TMA and ammonia. It is possible to obtain a semiconductor layer in which the composition monotonously changes in the stacking direction from 15 to the p-type second semiconductor layer 17 and there is no steep change in the band gap. Further, by adding CP 2 Mg to the reaction gas, the p-side band gap changing layer 16 can be made p-type.

p型第二半導体層17を積層した後、p型コンタクト層18が成長するTMG、アンモニア及びCPMgの混合比の混合ガス(混合ガスI)を導入して、所定の時間p型第二半導体層17上で反応させてp型コンタクト層18を積層する。 After the p-type second semiconductor layer 17 is stacked, a mixed gas (mixed gas I) having a mixed ratio of TMG, ammonia, and CP 2 Mg in which the p-type contact layer 18 is grown is introduced for a predetermined time. The p-type contact layer 18 is stacked by reacting on the semiconductor layer 17.

なお、活性層14とp側第一半導体層15との界面からp側バンドギャップ変化層16の膜厚の中心までの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下、より好ましくは30(nm)以上100(nm)以下となるようにp側第一半導体層15及びp側バンドギャップ変化層16を積層するように制御する。すなわち混合ガスFを混合ガスGへ切り替えた時刻からp側バンドギャップ変化層16の積層時間の半分の時刻になるまでの時間を制御する。従って、p側第一半導体層15の膜厚は活性層14とp側バンドギャップ変化層16との積層方向の距離を前記範囲であるように制限される。   Note that the distance in the stacking direction from the interface between the active layer 14 and the p-side first semiconductor layer 15 to the center of the thickness of the p-side band gap changing layer 16 is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less, more preferably. The p-side first semiconductor layer 15 and the p-side band gap changing layer 16 are controlled to be stacked so as to be 30 (nm) or more and 100 (nm) or less. That is, the time from the time when the mixed gas F is switched to the mixed gas G to the time that is half the stacking time of the p-side band gap changing layer 16 is controlled. Accordingly, the film thickness of the p-side first semiconductor layer 15 is limited so that the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the p-side band gap changing layer 16 is in the above range.

なお、n型基板12に前記III族窒化物系化合物を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)を利用してもよい。   As a method for growing the group III nitride compound on the n-type substrate 12, a molecular beam epitaxial growth method (MBE method) may be used.

p型コンタクト層18を積層した後、p型コンタクト層18上にストライプ形状電極19の素材及びn型基板12の裏面に電極11の素材を積層する。電極の素材の積層方法としてはスパッタリング法や真空蒸着法を利用できる。   After the p-type contact layer 18 is stacked, the material for the stripe-shaped electrode 19 and the material for the electrode 11 are stacked on the back surface of the n-type substrate 12 on the p-type contact layer 18. As a method for laminating the electrode material, a sputtering method or a vacuum deposition method can be used.

電極の素材を積層した後、ストライプ形状電極19を形成する。ストライプ形状電極19を形成する方法としてはリソグラフィ技術とドライエッチングを用いることができる。リソグラフィ技術によりストライプ状のレジストパターンを形成し、ストライプ形状電極19の素材をストライプ状にエッチングする。ストライプ形状電極19の素材とp型コンタクト層18、例えばGaN化合物との選択比の高いエッチングガスを用いることでp型コンタクト層18をエッチングストップ層として前記レジストパターンに覆われていないストライプ形状電極19の素材を良好にエッチングすることができる。続いてレジストを除去することでストライプ形状電極19を形成することができる。   After the electrode materials are stacked, the stripe-shaped electrode 19 is formed. As a method of forming the stripe-shaped electrode 19, lithography technology and dry etching can be used. A stripe-shaped resist pattern is formed by a lithography technique, and the material of the stripe-shaped electrode 19 is etched into a stripe shape. By using an etching gas having a high selection ratio between the material of the stripe-shaped electrode 19 and the p-type contact layer 18, for example, a GaN compound, the stripe-shaped electrode 19 that is not covered with the resist pattern using the p-type contact layer 18 as an etching stop layer. This material can be etched well. Subsequently, the striped electrode 19 can be formed by removing the resist.

半導体発光素子101のバンドダイヤグラムの概念図を図2に示す。図2において11aは電極11の領域、12aはn型基板12の領域、13aはn型下地層13の領域、25aはn側第一半導体層25の領域、27aはn型第二半導体層27の領域、14aは活性層14の領域、15aはp側第一半導体層15の領域、16aはp側バンドギャップ変化層16の領域、17aはp型第二半導体層17の領域、18aはp型コンタクト層18の領域及び19aはストライプ形状電極19の領域のバンドギャップを示している。21は価電子帯のトップ準位、22は伝導帯の底部準位である。図2のバンドダイヤグラムにおいて半導体発光素子101の活性層14はMQW構造であり、前記MQWに対してp型側の前記MQWの端に電子バリア層を有している。活性層14の領域14aにおいて14bは井戸層の領域、14cは障壁層の領域、14dは電子バリア層の領域を示している。なお、図2において電極11からn型基板12まで及びp型コンタクト層18からストライプ形状電極19までのバンドギャップの一部を省略して表示している。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor light emitting device 101 is shown in FIG. In FIG. 2, 11a is a region of the electrode 11, 12a is a region of the n-type substrate 12, 13a is a region of the n-type underlayer 13, 25a is a region of the n-side first semiconductor layer 25, and 27a is an n-type second semiconductor layer 27. 14a is a region of the active layer 14, 15a is a region of the p-side first semiconductor layer 15, 16a is a region of the p-side band gap changing layer 16, 17a is a region of the p-type second semiconductor layer 17, and 18a is p The region 19a of the mold contact layer 18 and the band gap of the region of the stripe-shaped electrode 19 are shown. 21 is the top level of the valence band, and 22 is the bottom level of the conduction band. In the band diagram of FIG. 2, the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 101 has an MQW structure, and has an electron barrier layer at the end of the MQW on the p-type side with respect to the MQW. In the region 14 a of the active layer 14, 14 b indicates a well layer region, 14 c indicates a barrier layer region, and 14 d indicates an electron barrier layer region. In FIG. 2, a part of the band gap from the electrode 11 to the n-type substrate 12 and from the p-type contact layer 18 to the stripe-shaped electrode 19 is omitted.

ストライプ形状電極19を陽極として、電極11を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、ストライプ形状電極19から正孔が半導体発光素子101に注入される。   By applying a voltage using the stripe-shaped electrode 19 as an anode and the electrode 11 as a cathode, electrons are injected from the electrode 11 and holes are injected from the stripe-shaped electrode 19 into the semiconductor light emitting device 101.

電極11から注入された電子は多数キャリアが電子であるn型のn型基板12、n型下地層13及びn型第二半導体層27を活性層14の方向へ円滑に移動することができる。n側第一半導体層25のバンドギャップはn型第二半導体層27のバンドギャップより狭いため、電子は伝導帯の底部準位22に沿ってエネルギー的に安定するn側第一半導体層25へ移動できる。電子はn側第一半導体層25より狭いバンドギャップの活性層14の各井戸層に集中する。   Electrons injected from the electrode 11 can smoothly move in the direction of the active layer 14 through the n-type n-type substrate 12, the n-type underlayer 13, and the n-type second semiconductor layer 27 in which majority carriers are electrons. Since the band gap of the n-side first semiconductor layer 25 is narrower than the band gap of the n-type second semiconductor layer 27, the electrons go to the n-side first semiconductor layer 25 that is energetically stable along the bottom level 22 of the conduction band. I can move. The electrons are concentrated in each well layer of the active layer 14 having a narrower band gap than the n-side first semiconductor layer 25.

一方、ストライプ形状電極19から注入された正孔は多数キャリアが正孔であるp型のp型コンタクト層18、p型第二半導体層17を活性層14の方向へ円滑に移動することができる。p側第一半導体層15のバンドギャップはp型第二半導体層17のバンドギャップより狭く、p側バンドギャップ変化層16によってp側第一半導体層15の価電子帯のトップ準位21とp型第二半導体層17の価電子帯のトップ準位21とはなだらかに接続され、正孔は価電子帯のトップ準位21に沿ってエネルギー的に安定するp側第一半導体層15へ移動できる。p側第一半導体層15へ移動した正孔はp側第一半導体層15のバンドギャップより狭い活性層14の各井戸層に集中する。なお、活性層14のp型電子バリア層は広いバンドギャップを有するが、価電子帯のトップ準位21が高いため、正孔の移動に対する前記電子バリア層の影響は少ない。   On the other hand, holes injected from the stripe-shaped electrode 19 can smoothly move in the direction of the active layer 14 in the p-type p-type contact layer 18 and the p-type second semiconductor layer 17 in which majority carriers are holes. . The band gap of the p-side first semiconductor layer 15 is narrower than the band gap of the p-type second semiconductor layer 17, and the p-side band gap changing layer 16 causes the top level 21 and p of the valence band of the p-side first semiconductor layer 15. The valence band top level 21 of the second semiconductor layer 17 is gently connected, and holes move to the p-side first semiconductor layer 15 that is energetically stable along the valence band top level 21. it can. The holes that have moved to the p-side first semiconductor layer 15 are concentrated in each well layer of the active layer 14 that is narrower than the band gap of the p-side first semiconductor layer 15. Although the p-type electron barrier layer of the active layer 14 has a wide band gap, the electron barrier layer has little influence on the movement of holes because the top level 21 of the valence band is high.

活性層14は活性層14の各井戸層に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することにより量子井戸の価電子帯のトップ準位21と伝導帯の底部準位22との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。   The active layer 14 is expressed between the top level 21 of the valence band of the quantum well and the bottom level 22 of the conduction band by recombination of the electrons and holes concentrated in each well layer of the active layer 14. The light of the wavelength according to the band gap to be emitted is emitted.

また、活性層14とp側バンドギャップ変化層16との積層方向の距離は一定の範囲にあるため、ストライプ形状電極19により狭搾され注入された正孔はp型第二半導体層17、p側バンドギャップ変化層16内及びp側第一半導体層15内での拡散が減少し、図1に示す正孔の流れ91のように活性層14のストライプ形状電極19の直下の部分に集中して到達する。   In addition, since the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the p-side band gap changing layer 16 is in a certain range, the holes that are narrowed and injected by the stripe-shaped electrode 19 are transferred to the p-type second semiconductor layer 17, p Diffusion in the side band gap changing layer 16 and the p-side first semiconductor layer 15 is reduced and concentrated in a portion immediately below the stripe-shaped electrode 19 of the active layer 14 as shown by a hole flow 91 shown in FIG. To reach.

従って、本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。特に、従来p型の不純物としてMgを添加する場合、円滑な正孔輸送をするためには不純物濃度を高める必要があったが、p側バンドギャップ変化層16により不純物濃度を低減した状態でも円滑な正孔輸送が可能となるため、本願発明の効果は大きい。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can do. In particular, when Mg is conventionally added as a p-type impurity, it has been necessary to increase the impurity concentration in order to smoothly transport holes, but even in a state where the impurity concentration is reduced by the p-side band gap change layer 16, Therefore, the effect of the present invention is great.

また、前記分極電荷の分散により正孔が受ける斥力が低減するため半導体発光素子101の電気抵抗及びビルトイン電圧が低くなり、半導体発光素子101の動作電圧を下げることができる。従って、半導体発光素子101が半導体レーザの場合にはしきい値電流の低減及び電流対光量のスロープ効率の改善を図ることができ、半導体発光素子101がLEDの場合には輝度向上をはかることができる。   In addition, since the repulsive force received by the holes due to the dispersion of the polarization charge is reduced, the electrical resistance and built-in voltage of the semiconductor light emitting device 101 are lowered, and the operating voltage of the semiconductor light emitting device 101 can be lowered. Therefore, when the semiconductor light emitting device 101 is a semiconductor laser, the threshold current can be reduced and the slope efficiency of the current versus light quantity can be improved, and when the semiconductor light emitting device 101 is an LED, the brightness can be improved. it can.

なお、互いに組成の異なる二のIII族窒化物系化合物の結晶をC軸方向に揃えて積層した場合に最も強く格子ひずみが生じ、前記分極電荷が顕著に現れる。従って、p側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16及びp型第二半導体層17の積層方向とp側第一半導体層15のIII族窒化物系化合物の結晶、p側バンドギャップ変化層16のIII族窒化物系化合物の結晶及びp型第二半導体層17のIII族窒化物系化合物の結晶のC軸方向とが平行の場合にp側バンドギャップ変化層16の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。従って、p側バンドギャップ変化層16はp側第一半導体層15の不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間においてキャリア輸送を円滑にすることができる。   In addition, when the crystals of two Group III nitride compounds having different compositions are stacked in the C-axis direction, the lattice distortion is most intense and the polarization charge appears remarkably. Therefore, the stacking direction of the p-side first semiconductor layer 15, the p-side band gap changing layer 16 and the p-type second semiconductor layer 17, the crystal of the group III nitride compound of the p-side first semiconductor layer 15, the p-side band gap The effect of the p-side band gap changing layer 16 when the group III nitride compound crystal of the change layer 16 and the C-axis direction of the group III nitride compound crystal of the p-type second semiconductor layer 17 are parallel, that is, The effect of dispersion of the polarization charge is maximized. Therefore, the p-side band gap changing layer 16 does not increase the impurity concentration of the p-side first semiconductor layer 15, that is, does not cause deterioration in optical characteristics and reliability, and thus carriers between two semiconductor layers having different compositions from each other. Transport can be made smooth.

(実施の形態2)
本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子103の断面の概念図を図3に示す。図3において、図1で用いた符号と同じ符号は半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子103と図1の半導体発光素子101との違いは、半導体発光素子101は基板の裏面に陰電極を設けた裏面電極型に対し、半導体発光素子103は陽電極と陰電極が基板に対して同一の方向にある型である。具体的には、半導体発光素子103には半導体発光素子101の電極11及びn型基板12を備えず、n型基板32及び電極31を備えたことである。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor light emitting device 103 which is another embodiment according to the first invention of the present application. 3, the same reference numerals as those used in FIG. 1 are semiconductor layers and have the same functions. The difference between the semiconductor light emitting device 103 and the semiconductor light emitting device 101 of FIG. 1 is that the semiconductor light emitting device 101 has a negative electrode on the back surface of the substrate, whereas the semiconductor light emitting device 103 has a positive electrode and a negative electrode on the substrate. The mold is in the same direction. Specifically, the semiconductor light emitting device 103 does not include the electrode 11 and the n-type substrate 12 of the semiconductor light emitting device 101 but includes the n-type substrate 32 and the electrode 31.

n型基板32は半導体薄膜で構成される半導体発光素子103を物理的に支えるために配置される。半導体発光素子103の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、AlGaIn1−x−yN化合物を積層させる場合はサファイヤが例示される。 The n-type substrate 32 is disposed to physically support the semiconductor light emitting device 103 composed of a semiconductor thin film. A material on which a semiconductor thin film is favorably grown is selected as the substrate of the semiconductor light emitting device 103. For example, sapphire is exemplified when an Al x Ga y In 1-xy N compound is laminated.

電極31は半導体発光素子103に電圧を印加するために配置される。電極31は図1の電極11で説明した機能を有し、素材としては、Ti/Al/Ti/AuやAl/Auが例示される。   The electrode 31 is disposed to apply a voltage to the semiconductor light emitting device 103. The electrode 31 has the function described with reference to the electrode 11 in FIG. 1, and examples of the material include Ti / Al / Ti / Au and Al / Au.

半導体発光素子103は以下に説明するように作成される。MOCVD法を用いてn型基板32上にn型下地層13、n型第二半導体層27、n側第一半導体層25、活性層14、p側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。続いて、図1の半導体発光素子101で説明したようにストライプ形状電極19を形成する。   The semiconductor light emitting device 103 is formed as described below. Using the MOCVD method, the n-type underlayer 13, the n-type second semiconductor layer 27, the n-side first semiconductor layer 25, the active layer 14, the p-side first semiconductor layer 15, and the p-side band gap change are formed on the n-type substrate 32. The layer 16, the p-type second semiconductor layer 17, and the p-type contact layer 18 are stacked in this order. Subsequently, the stripe-shaped electrode 19 is formed as described in the semiconductor light emitting device 101 of FIG.

続いて、電極31を形成する箇所の陰電極部Mの半導体層を除去するために再度リソグラフィ技術を用いて陽電極部Pの上層を覆うレジストパターンを作り、ドライエッチングで陰電極部Mのp型コンタクト層18からn型下地層13の膜厚の一部までの半導体層を除去する。n型下地層13の膜厚の一部までのエッチングなのでエンドポイント、すなわち陰電極部Mに残すn型下地層13の膜厚はエッチング時間で制御する。   Subsequently, in order to remove the semiconductor layer of the negative electrode portion M where the electrode 31 is to be formed, a resist pattern that covers the upper layer of the positive electrode portion P is formed again by using a lithography technique, and p of the negative electrode portion M is formed by dry etching. The semiconductor layer from the type contact layer 18 to a part of the thickness of the n-type underlayer 13 is removed. Since the etching is performed up to a part of the film thickness of the n-type underlayer 13, the end point, that is, the film thickness of the n-type underlayer 13 left in the negative electrode portion M is controlled by the etching time.

陰電極部Mを形成した後、ストライプ形状電極19の形成と同様にして電極31を形成する。   After forming the negative electrode portion M, the electrode 31 is formed in the same manner as the formation of the stripe-shaped electrode 19.

半導体発光素子103のバンドダイヤグラムの概念図を図4に示す。図4において図2で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。図4の半導体発光素子103のバンドダイヤグラムにおいて図2の半導体発光素子101のバンドダイヤグラムと異なる部分は活性層14の領域14aに対してn型側においてn型基板12の領域12a及び電極11の領域11aがなく、電極31の領域31aが表示されていることである。なお、図4においてp型コンタクト層18からストライプ形状電極19まで及びn型下地層13から電極31までのバンドギャップの一部を省略して表示している。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor light emitting device 103 is shown in FIG. In FIG. 4, the same reference numerals as those used in FIG. 2 are the same laminated film regions and have the same functions. In the band diagram of the semiconductor light emitting device 103 of FIG. 4, the portions different from the band diagram of the semiconductor light emitting device 101 of FIG. 2 are the region 12 a of the n type substrate 12 and the region of the electrode 11 on the n type side with respect to the region 14 a of the active layer 14. 11a is not displayed and the region 31a of the electrode 31 is displayed. In FIG. 4, a part of the band gap from the p-type contact layer 18 to the stripe-shaped electrode 19 and from the n-type underlayer 13 to the electrode 31 is omitted.

ストライプ形状電極19を陽極として、電極31を陰極として電圧を印加することで電極31から電子が、ストライプ形状電極19から正孔が半導体発光素子103に注入される。   By applying a voltage using the stripe-shaped electrode 19 as an anode and the electrode 31 as a cathode, electrons are injected from the electrode 31 and holes are injected from the stripe-shaped electrode 19 into the semiconductor light emitting device 103.

電極31から注入された電子は図2の半導体発光素子101のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子103の活性層14の各井戸層に集中する。   Electrons injected from the electrode 31 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 103 as described in the band diagram of the semiconductor light emitting device 101 of FIG.

一方、ストライプ形状電極19から注入された正孔は図2の半導体発光素子101のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子103の活性層14の各井戸層に集中する。従って、半導体発光素子103は量子井戸の価電子帯のトップ準位21と伝導帯の底部準位22との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。   On the other hand, the holes injected from the stripe-shaped electrode 19 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 103 as described in the band diagram of the semiconductor light emitting device 101 of FIG. Therefore, the semiconductor light emitting device 103 emits light having a wavelength corresponding to the band gap expressed between the top level 21 of the valence band of the quantum well and the bottom level 22 of the conduction band.

また、半導体発光素子103は図1の半導体発光素子101と同様に活性層14とp側バンドギャップ変化層16との積層方向の距離が一定の範囲にあるため、ストライプ形状電極19により狭搾され注入された正孔は図1に示す正孔の流れ91のように活性層14のストライプ形状電極19の直下の部分に集中して到達する。   Further, the semiconductor light emitting element 103 is squeezed by the stripe-shaped electrode 19 because the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the p-side band gap changing layer 16 is in a certain range, similar to the semiconductor light emitting element 101 of FIG. The injected holes are concentrated and reach the portion immediately below the stripe-shaped electrode 19 of the active layer 14 as shown by a hole flow 91 shown in FIG.

従って、本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can do.

つまり、半導体発光素子103は半導体発光素子101と同様にしきい値電流の低減、電流対光量のスロープ効率の改善、輝度向上等の効果を得ることができる。   That is, the semiconductor light emitting device 103 can obtain effects such as a reduction in threshold current, improvement in the slope efficiency of the current versus light amount, and an improvement in luminance as in the semiconductor light emitting device 101.

また、半導体発光素子103は半導体発光素子101と同様にp側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16及びp型第二半導体層17においてIII族窒化物系化合物の結晶のC軸を揃えて積層した場合にp側バンドギャップ変化層16の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。従って、p側バンドギャップ変化層16はp側第一半導体層15の不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間においてキャリア輸送を円滑にすることができる。   Similarly to the semiconductor light emitting device 101, the semiconductor light emitting device 103 has the crystal C axis of the group III nitride compound crystal in the p-side first semiconductor layer 15, the p-side band gap changing layer 16, and the p-type second semiconductor layer 17. When the layers are stacked together, the effect of the p-side band gap changing layer 16, that is, the effect of dispersion of the polarization charge is maximized. Therefore, the p-side band gap changing layer 16 does not increase the impurity concentration of the p-side first semiconductor layer 15, that is, does not cause deterioration in optical characteristics and reliability, and thus carriers between two semiconductor layers having different compositions from each other. Transport can be made smooth.

(実施の形態3)
本実施形態は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がp型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, an active layer that generates light by recombination of electrons and holes is stacked on the p-type side of the active layer, and the composition formula Al x Ga y In 1-x A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the active layer side of the first semiconductor layer Is laminated adjacent to the opposite side, and is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), A band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition monotonously changes in a stepwise manner and a layer adjacent to the side of the band gap changing layer opposite to the first semiconductor layer side are stacked, and the composition formula Al x Ga y In 1-x-y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride reduction represented A semiconductor light emitting device comprising: a second semiconductor layer comprising: a second semiconductor layer, the end of the active layer having a p-type polarity with respect to the active layer, and a center of a width of the band gap change layer in a stacking direction. The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. The semiconductor light emitting device is characterized in that it monotonously changes stepwise from an equal band gap to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子105の断面の概念図を図5に示す。図5において、図1及び図3で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子105と図3の半導体発光素子103との違いは、半導体発光素子105には半導体発光素子103のp側バンドギャップ変化層16を備えず、p側バンドギャップ変化層56を備えたことである。   FIG. 5 shows a conceptual diagram of a cross section of the semiconductor light emitting device 105 according to one embodiment of the second invention of the present application. In FIG. 5, the same reference numerals as those used in FIGS. 1 and 3 are the same semiconductor layers and have the same functions. The difference between the semiconductor light emitting device 105 and the semiconductor light emitting device 103 of FIG. 3 is that the semiconductor light emitting device 105 does not include the p-side band gap changing layer 16 of the semiconductor light emitting device 103 but includes the p-side band gap changing layer 56. It is.

p側バンドギャップ変化層56は積層方向に組成が階段状に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。すなわち、p側バンドギャップ変化層56は積層方向においてp側バンドギャップ変化層56の一の側から他の側へ前記組成式におけるx及びyの値が階段状に単調変化する組成を有する。具体的にはp側バンドギャップ変化層56はバンドギャップの異なる複数のAlGaIn1−x−yN化合物薄膜をバンドギャップの幅の広い順又は狭い順に積層して構成される。例えば、p側バンドギャップ変化層56は、積層方向の一の側から積層方向の他の側へ向かってそれぞれ膜厚が10(nm)のGaN化合物薄膜、Al0.02Ga0.98N化合物薄膜、Al0.04Ga0.96N化合物薄膜、Al0.06Ga0.94N化合物薄膜及びAl0.08Ga0.92N化合物薄膜を順に積層して構成される。p側バンドギャップ変化層56のバンドギャップは前記一の側から前記他の側に向かって、最も狭いGaN化合物薄膜のバンドギャップから最も広いAl0.08Ga0.92N化合物薄膜のバンドギャップへ階段状に単調変化する。なお、前記化合物薄膜の組成は不均等に変化させてもよく、前記化合物薄膜の膜厚も不均等であってもよい。 The p-side band gap changing layer 56 is a layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound whose composition monotonously changes stepwise in the stacking direction. That is, the p-side band gap changing layer 56 has a composition in which the values of x and y in the composition formula monotonously change in a stepwise manner from one side to the other side in the stacking direction. Specifically, the p-side band gap changing layer 56 is formed by laminating a plurality of Al x Ga y In 1-xy N compound thin films having different band gaps in order of increasing or decreasing band gap width. For example, the p-side band gap change layer 56 is a GaN compound thin film or an Al 0.02 Ga 0.98 N compound having a thickness of 10 nm from one side in the stacking direction to the other side in the stacking direction. A thin film, an Al 0.04 Ga 0.96 N compound thin film, an Al 0.06 Ga 0.94 N compound thin film, and an Al 0.08 Ga 0.92 N compound thin film are sequentially stacked. The band gap of the p-side band gap change layer 56 is from the narrowest band gap of the GaN compound thin film to the widest band gap of the Al 0.08 Ga 0.92 N compound thin film from the one side to the other side. It changes monotonously in a staircase pattern. The composition of the compound thin film may be changed unevenly, and the film thickness of the compound thin film may also be uneven.

p側バンドギャップ変化層56は組成が階段状に単調変化するため、p側バンドギャップ変化層56内において急峻な組成変化による格子ひずみを低減できる。   Since the composition of the p-side band gap changing layer 56 changes monotonically in a stepped manner, lattice distortion due to a sharp composition change in the p-side band gap changing layer 56 can be reduced.

なお、p側バンドギャップ変化層56の膜厚は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましく、3(nm)以上50(nm)以下であることがより好ましい。   The film thickness of the p-side band gap changing layer 56 is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm), more preferably 3 (nm) or more and 50 (nm) or less.

p側バンドギャップ変化層56にはp型とするためにp型不純物を添加してもよい。具体的にはp型不純物としてMgが例示され、不純物濃度nは1×1018(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下の範囲が例示される。なお、p側バンドギャップ変化層56の不純物濃度の範囲は図1のp側バンドギャップ変化層16で説明したようにp側第一半導体層15とp型第二半導体層17とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度及びp側バンドギャップ変化層56の積層方向の幅から算出することが好ましい。 A p-type impurity may be added to the p-side band gap changing layer 56 in order to make it p-type. Specifically, Mg is exemplified as the p-type impurity, and the impurity concentration n is exemplified by a range of 1 × 10 18 (cm −3 ) to 1 × 10 19 (cm −3 ). The impurity concentration range of the p-side bandgap changing layer 56 is the interface between the p-side first semiconductor layer 15 and the p-type second semiconductor layer 17 as described in the p-side bandgap changing layer 16 of FIG. It is preferable to calculate from the charge density of the polarization generated in FIG.

半導体発光素子105は以下に説明するように作成される。MOCVD法を用いてn型基板32上にn型下地層13、n型第二半導体層27、n側第一半導体層25、活性層14、p側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層56、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。p側バンドギャップ変化層56は所定時間毎に階段状に前記製造パラメータを変更して積層させて作成する。なお、活性層14とp側第一半導体層15との界面からp側バンドギャップ変化層56の膜厚の中心までの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下、より好ましくは30(nm)以上100(nm)以下となるようにp側第一半導体層15及びp側バンドギャップ変化層56を積層する。   The semiconductor light emitting element 105 is produced as described below. Using the MOCVD method, the n-type underlayer 13, the n-type second semiconductor layer 27, the n-side first semiconductor layer 25, the active layer 14, the p-side first semiconductor layer 15, and the p-side band gap change are formed on the n-type substrate 32. The layer 56, the p-type second semiconductor layer 17, and the p-type contact layer 18 are stacked in this order. The p-side band gap changing layer 56 is formed by changing the manufacturing parameters in a stepped manner every predetermined time. Note that the distance in the stacking direction from the interface between the active layer 14 and the p-side first semiconductor layer 15 to the center of the thickness of the p-side band gap change layer 56 is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less, more preferably. The p-side first semiconductor layer 15 and the p-side band gap change layer 56 are stacked so as to be 30 (nm) or more and 100 (nm) or less.

続いて、図1の半導体発光素子101で説明したようにストライプ形状電極91を形成する。続いて、図3の半導体発光素子103で説明したように陰電極部Mを形成して電極31を形成する。   Subsequently, a stripe-shaped electrode 91 is formed as described in the semiconductor light emitting device 101 of FIG. Subsequently, as described in the semiconductor light emitting device 103 in FIG. 3, the negative electrode portion M is formed to form the electrode 31.

p側バンドギャップ変化層56の一の側の組成をp側第一半導体層15の組成と等しくし、他の側の組成をp型第二半導体層17の組成と等しくすることで、図1のp側バンドギャップ変化層16の効果と同じ効果を得られる。すなわち、p側バンドギャップ変化層56の前記一の側とp側第一半導体層15とを隣接し、及び前記他の側とp型第二半導体層17とを隣接するようにp側バンドギャップ変化層56を積層することで、p側第一半導体層15とp側バンドギャップ変化層56との間及びp側バンドギャップ変化層56とp型第二半導体層17との間に急峻な組成の変化がなくなるため、キャリアの輸送を阻害していた分極電荷を分散させることができ、正孔はp型第二半導体層17からp側第一半導体層15へ円滑に移動することができる。   By making the composition on one side of the p-side band gap changing layer 56 equal to the composition of the p-side first semiconductor layer 15 and making the composition on the other side equal to the composition of the p-type second semiconductor layer 17, FIG. The same effect as that of the p-side band gap changing layer 16 can be obtained. That is, the p-side band gap is formed such that the one side of the p-side band gap changing layer 56 and the p-side first semiconductor layer 15 are adjacent to each other, and the other side and the p-type second semiconductor layer 17 are adjacent to each other. By stacking the change layer 56, a steep composition is formed between the p-side first semiconductor layer 15 and the p-side band gap change layer 56 and between the p-side band gap change layer 56 and the p-type second semiconductor layer 17. Therefore, the polarization charge that hinders carrier transport can be dispersed, and the holes can be smoothly moved from the p-type second semiconductor layer 17 to the p-side first semiconductor layer 15.

半導体発光素子105のバンドダイヤグラムの概念図を図6に示す。図6において図2又は図4で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。図6の半導体発光素子105のバンドダイヤグラムにおいて図4の半導体発光素子103のバンドダイヤグラムと異なる部分は活性層14の領域14aに対してp型側においてp側バンドギャップ変化層16の領域16aがなく、p側バンドギャップ変化層56の領域56aが表示されていることである。なお、図6においてp型コンタクト層18からストライプ形状電極19まで及びn型下地層13から電極31までのバンドギャップの一部を省略して表示している。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor light emitting device 105 is shown in FIG. In FIG. 6, the same reference numerals as those used in FIG. 2 or 4 are the same laminated film regions and have the same functions. In the band diagram of the semiconductor light emitting device 105 in FIG. 6, the portion different from the band diagram of the semiconductor light emitting device 103 in FIG. 4 has no region 16 a of the p-side band gap changing layer 16 on the p-type side with respect to the region 14 a of the active layer 14. , The region 56a of the p-side band gap changing layer 56 is displayed. In FIG. 6, a part of the band gap from the p-type contact layer 18 to the stripe-shaped electrode 19 and from the n-type base layer 13 to the electrode 31 is omitted.

ストライプ形状電極19を陽極として、電極31を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、ストライプ形状電極19から正孔が半導体発光素子105に注入される。   By applying a voltage using the stripe-shaped electrode 19 as an anode and the electrode 31 as a cathode, electrons are injected from the electrode 11 and holes are injected from the stripe-shaped electrode 19 into the semiconductor light emitting device 105.

電極31から注入された電子は図2の半導体発光素子101のバンドギャップで説明したように半導体発光素子105の活性層14の各井戸層に集中する。   Electrons injected from the electrode 31 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 105 as described in the band gap of the semiconductor light emitting device 101 in FIG.

一方、活性層14に対してp型側において、p側バンドギャップ変化層56によってp側第一半導体層15の価電子帯のトップ準位21とp型第二半導体層17の価電子帯のトップ準位21とは階段状に接続されており、ストライプ形状電極19から注入された正孔は価電子帯のトップ準位21に沿ってエネルギー的に安定するp側第一半導体層15へ移動できる。p側第一半導体層15へ移動した正孔は図2の半導体発光素子101のバンドギャップで説明したように半導体発光素子105の活性層14の各井戸層に集中する。   On the other hand, on the p-type side with respect to the active layer 14, the top level 21 of the valence band of the p-side first semiconductor layer 15 and the valence band of the p-type second semiconductor layer 17 by the p-side band gap change layer 56. The top level 21 is connected in a stepped manner, and holes injected from the stripe-shaped electrode 19 move to the p-side first semiconductor layer 15 that is energetically stable along the top level 21 of the valence band. it can. The holes that have moved to the p-side first semiconductor layer 15 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 105 as described in the band gap of the semiconductor light emitting device 101 of FIG.

従って、半導体発光素子105は量子井戸の価電子帯のトップ準位21と伝導帯の底部準位22との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。   Accordingly, the semiconductor light emitting device 105 emits light having a wavelength corresponding to the band gap expressed between the top level 21 of the valence band of the quantum well and the bottom level 22 of the conduction band.

また、半導体発光素子105は図1の半導体発光素子101と同様に活性層14とp側バンドギャップ変化層16との積層方向の距離が一定の範囲にあるため、ストライプ形状電極19により狭搾され注入された正孔は図1に示す正孔の流れ91のように活性層14のストライプ形状電極19の直下の部分に集中して到達する。   Further, the semiconductor light emitting element 105 is squeezed by the stripe-shaped electrode 19 because the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the p-side band gap changing layer 16 is in a certain range, similar to the semiconductor light emitting element 101 of FIG. The injected holes are concentrated and reach the portion immediately below the stripe-shaped electrode 19 of the active layer 14 as shown by a hole flow 91 shown in FIG.

従って、本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can do.

つまり、半導体発光素子105は半導体発光素子101と同様にしきい値電流の低減、電流対光量のスロープ効率の改善、輝度向上等の効果を得ることができる。   That is, the semiconductor light emitting element 105 can obtain effects such as a reduction in threshold current, an improvement in slope efficiency of current versus light intensity, and an improvement in luminance, as in the semiconductor light emitting element 101.

また、半導体発光素子105は半導体発光素子101と同様にp側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層56及びp型第二半導体層17においてIII族窒化物系化合物の結晶のC軸を揃えて積層した場合にp側バンドギャップ変化層56の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。従って、p側バンドギャップ変化層56はp側第一半導体層15の不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間においてキャリア輸送を円滑にすることができる。   Similarly to the semiconductor light emitting device 101, the semiconductor light emitting device 105 has the crystal C axis of the group III nitride compound crystal in the p-side first semiconductor layer 15, the p-side band gap changing layer 56, and the p-type second semiconductor layer 17. When the layers are stacked together, the effect of the p-side band gap changing layer 56, that is, the effect of dispersion of the polarization charge is maximized. Therefore, the p-side band gap change layer 56 does not increase the impurity concentration of the p-side first semiconductor layer 15, that is, does not cause deterioration in optical characteristics and reliability, and thus carriers between two semiconductor layers having different compositions from each other. Transport can be made smooth.

なお、半導体発光素子105は図1の半導体発光素子101で説明したn型基板12に半導体層を積層することで半導体発光素子101と同様に裏面電極型の半導体発光素子とすることができる。   The semiconductor light emitting element 105 can be formed as a back electrode type semiconductor light emitting element like the semiconductor light emitting element 101 by stacking a semiconductor layer on the n-type substrate 12 described in the semiconductor light emitting element 101 of FIG.

(実施の形態4)
本実施形態は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がn型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がn型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。
(Embodiment 4)
In this embodiment, an active layer that generates light by recombination of electrons and holes, and a layer on the n-type side of the active layer are stacked, and the composition formula Al x Ga y In 1-x A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the active layer side of the first semiconductor layer Is laminated adjacent to the opposite side, and is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), A band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously and a layer adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side of the band gap changing layer are laminated, and the composition formula Al x Ga y In 1-x-y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride reduction represented A semiconductor light emitting device comprising: a second semiconductor layer of an object, wherein an end of the active layer on the n-type side with respect to the active layer reaches a center of a width in a stacking direction of the band gap change layer The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A semiconductor light emitting device characterized by continuously changing monotonously from an equal band gap to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

本願第三の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子107の断面の概念図を図7に示す。図7において、図1、図3及び図5で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子107と図3の半導体発光素子103との違いは、半導体発光素子107には半導体発光素子103のp側バンドギャップ変化層16を備えず、n側バンドギャップ変化層76を備えたことである。   FIG. 7 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor light emitting device 107 according to an embodiment of the third invention of the present application. In FIG. 7, the same reference numerals as those used in FIGS. 1, 3, and 5 are the same semiconductor layers and have the same functions. The difference between the semiconductor light emitting device 107 and the semiconductor light emitting device 103 in FIG. 3 is that the semiconductor light emitting device 107 does not include the p-side band gap changing layer 16 of the semiconductor light emitting device 103 but includes the n-side band gap changing layer 76. It is.

n側バンドギャップ変化層76は図1のp型バンドギャップ変化層16と同様に積層方向に組成が連続的に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。すなわち、n側バンドギャップ変化層76は積層方向においてn側バンドギャップ変化層76の一の側から他の側へ前記組成式におけるx及びyの値が連続的に単調変化する組成を有する。例えば、n側バンドギャップ変化層76は、図1で説明したp側バンドギャップ変化層16と同様の組成のIII族窒化物系化合物が例示できる。 The n-side band gap changing layer 76 is an Al x Ga y In 1-xy N compound layer whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction like the p-type band gap changing layer 16 of FIG. That is, the n-side band gap change layer 76 has a composition in which the values of x and y in the composition formula continuously and monotonously change from one side of the n-side band gap change layer 76 to the other side in the stacking direction. For example, the n-side band gap change layer 76 can be exemplified by a group III nitride compound having the same composition as that of the p-side band gap change layer 16 described in FIG.

n側バンドギャップ変化層76は組成が連続的に単調変化するため、n側バンドギャップ変化層76内において急峻な組成変化による格子ひずみを低減できる。   Since the composition of the n-side band gap changing layer 76 continuously monotonously changes, lattice distortion due to a sharp composition change in the n-side band gap changing layer 76 can be reduced.

なお、n側バンドギャップ変化層76の膜厚は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましく、3(nm)以上50(nm)以下であることがより好ましい。   The film thickness of the n-side band gap changing layer 76 is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm), and more preferably 3 (nm) or more and 50 (nm) or less.

n側バンドギャップ変化層76にはn型とするためにn型不純物を添加してもよい。具体的にはn型不純物としてSiが例示され、不純物濃度nは5×1017(cm−3)以上5×1018(cm−3)以下の範囲が例示される。なお、n側バンドギャップ変化層76の不純物濃度の範囲は図1のp側バンドギャップ変化層16で説明したようにn側第一半導体層25とn型第二半導体層27とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度及びn側バンドギャップ変化層76の積層方向の幅から算出することが好ましい。 An n-type impurity may be added to the n-side band gap changing layer 76 in order to make it n-type. Specifically, Si is exemplified as the n-type impurity, and the impurity concentration n is exemplified by a range of 5 × 10 17 (cm −3 ) to 5 × 10 18 (cm −3 ). The range of the impurity concentration of the n-side band gap changing layer 76 is the interface between the n-side first semiconductor layer 25 and the n-type second semiconductor layer 27 adjacent to each other as described for the p-side band gap changing layer 16 in FIG. It is preferable to calculate from the charge density of the polarization generated in FIG.

半導体発光素子107は以下に説明するように作成される。MOCVD法を用いてn型基板32上にn型下地層13、n型第二半導体層27、n側バンドギャップ変化層76、n側第一半導体層25、活性層14、p側第一半導体層15、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。なお、活性層14とn側第一半導体層25との界面からn側バンドギャップ変化層76の膜厚の中心までの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下、より好ましくは30(nm)以上100(nm)以下となるようにn側第一半導体層25及びn側バンドギャップ変化層76を積層する。   The semiconductor light emitting element 107 is produced as described below. Using the MOCVD method, the n-type underlayer 13, the n-type second semiconductor layer 27, the n-side band gap changing layer 76, the n-side first semiconductor layer 25, the active layer 14, and the p-side first semiconductor are formed on the n-type substrate 32. The layer 15, the p-type second semiconductor layer 17, and the p-type contact layer 18 are sequentially stacked. The distance in the stacking direction from the interface between the active layer 14 and the n-side first semiconductor layer 25 to the center of the film thickness of the n-side band gap change layer 76 is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less, more preferably. The n-side first semiconductor layer 25 and the n-side band gap change layer 76 are stacked so as to be 30 (nm) or more and 100 (nm) or less.

従って、活性層14とn側バンドギャップ変化層76との積層方向の距離を前記範囲とするため、n側第一半導体層25の膜厚は20(nm)以上200(nm)以下であることが好ましい。   Therefore, the thickness of the n-side first semiconductor layer 25 is not less than 20 (nm) and not more than 200 (nm) so that the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the n-side band gap changing layer 76 is within the above range. Is preferred.

続いて、図1の半導体発光素子101で説明したようにストライプ形状電極91を形成する。続いて、図3の半導体発光素子103で説明したように陰電極部Mを形成して電極31を形成する。   Subsequently, a stripe-shaped electrode 91 is formed as described in the semiconductor light emitting device 101 of FIG. Subsequently, as described in the semiconductor light emitting device 103 in FIG. 3, the negative electrode portion M is formed to form the electrode 31.

n側バンドギャップ変化層76の一の側の組成をn側第一半導体層25の組成と等しくし、他の側の組成をn型第二半導体層27の組成と等しくした場合、図1のp側バンドギャップ変化層16の効果と同じ効果を得られる。すなわち、n側バンドギャップ変化層76の前記一の側とn側第一半導体層25とを隣接し、及び前記他の側とn型半導体層27とを隣接するようにn側バンドギャップ変化層76を積層することで、n側第一半導体層25とn側バンドギャップ変化層76との間及びn側バンドギャップ変化層76とn型第二半導体層27との間に急峻な組成の変化がなくなるため、キャリアの輸送を阻害していた分極電荷を分散させることができ、電子はn型第二半導体層27からn側第一半導体層25へ円滑に移動することができる。   When the composition on one side of the n-side band gap changing layer 76 is made equal to the composition of the n-side first semiconductor layer 25 and the composition on the other side is made equal to the composition of the n-type second semiconductor layer 27, FIG. The same effect as that of the p-side band gap changing layer 16 can be obtained. That is, the n-side bandgap changing layer 76 is arranged so that the one side of the n-side bandgap changing layer 76 is adjacent to the n-side first semiconductor layer 25 and the other side is adjacent to the n-type semiconductor layer 27. By stacking 76, a steep composition change between the n-side first semiconductor layer 25 and the n-side band gap change layer 76 and between the n-side band gap change layer 76 and the n-type second semiconductor layer 27 is achieved. Therefore, the polarization charge that hinders the transport of carriers can be dispersed, and electrons can move smoothly from the n-type second semiconductor layer 27 to the n-side first semiconductor layer 25.

半導体発光素子107のバンドダイヤグラムの概念図を図8に示す。図8において図2、図4及び図6で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。図8の半導体発光素子107のバンドダイヤグラムにおいて図4の半導体発光素子103のバンドダイヤグラムと異なる部分は活性層14の領域14aに対してp型側にp側バンドギャップ変化層16の領域16aがなく、活性層14の領域14aに対してn型側にn側バンドギャップ変化層76の領域76aが表示されていることである。なお、図8においてp型コンタクト層18からストライプ形状電極19まで及びn型下地層13から電極31までのバンドギャップの一部を省略して表示している。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor light emitting device 107 is shown in FIG. In FIG. 8, the same reference numerals as those used in FIG. 2, FIG. 4, and FIG. In the band diagram of the semiconductor light emitting device 107 of FIG. 8, the portion different from the band diagram of the semiconductor light emitting device 103 of FIG. 4 has no region 16a of the p-side band gap changing layer 16 on the p-type side with respect to the region 14a of the active layer 14. In other words, the region 76a of the n-side band gap changing layer 76 is displayed on the n-type side with respect to the region 14a of the active layer 14. In FIG. 8, a part of the band gap from the p-type contact layer 18 to the stripe-shaped electrode 19 and from the n-type underlayer 13 to the electrode 31 is omitted.

ストライプ形状電極19を陽極として、電極31を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、ストライプ形状電極19から正孔が半導体発光素子107に注入される。   By applying a voltage using the stripe-shaped electrode 19 as an anode and the electrode 31 as a cathode, electrons are injected from the electrode 11 and holes are injected from the stripe-shaped electrode 19 into the semiconductor light emitting device 107.

電極31から注入された電子は多数キャリアが電子であるn型のn型下地層13及びn型第二半導体層27を活性層14の方向へ円滑に移動することができる。n側第一半導体層25のバンドギャップはn型第二半導体層27のバンドギャップより狭く、n側バンドギャップ変化層76によってn側第一半導体層25の伝導帯の底部準位22とn型第二半導体層27の伝導帯の底部準位22とはなだらかに接続され、電子は伝導帯の底部準位22に沿ってエネルギー的に安定するn側第一半導体層25へ移動できる。n側第一半導体層25へ移動した電子はn側第一半導体層25のバンドギャップより狭い活性層14の各井戸層に集中する。   Electrons injected from the electrode 31 can smoothly move in the direction of the active layer 14 through the n-type n-type underlayer 13 and the n-type second semiconductor layer 27 in which majority carriers are electrons. The band gap of the n-side first semiconductor layer 25 is narrower than the band gap of the n-type second semiconductor layer 27, and the bottom level 22 of the conduction band of the n-side first semiconductor layer 25 and the n-type are changed by the n-side band gap changing layer 76. The bottom level 22 of the conduction band of the second semiconductor layer 27 is gently connected, and electrons can move along the bottom level 22 of the conduction band to the n-side first semiconductor layer 25 that is energetically stable. The electrons that have moved to the n-side first semiconductor layer 25 are concentrated in each well layer of the active layer 14 that is narrower than the band gap of the n-side first semiconductor layer 25.

一方、ストライプ形状電極19から注入された正孔は多数キャリアが正孔であるp型のp型コンタクト層18、p型第二半導体層27を活性層14の方向へ円滑に移動することができる。p側第一半導体層15のバンドギャップはp型第二半導体層17のバンドギャップより狭いため、正孔は価電子帯のトップ準位21に沿ってエネルギー的に安定するp側第一半導体層15へ移動できる。正孔はp側第一半導体層15より狭いバンドギャップの活性層14の各井戸層に集中する。   On the other hand, holes injected from the stripe-shaped electrode 19 can smoothly move in the direction of the active layer 14 in the p-type p-type contact layer 18 and the p-type second semiconductor layer 27 in which majority carriers are holes. . Since the band gap of the p-side first semiconductor layer 15 is narrower than the band gap of the p-type second semiconductor layer 17, the holes are energetically stable along the top level 21 of the valence band. You can move to 15. The holes are concentrated in each well layer of the active layer 14 having a narrower band gap than the p-side first semiconductor layer 15.

従って、半導体発光素子107は量子井戸の価電子帯のトップ準位21と伝導帯の底部準位22との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。   Therefore, the semiconductor light emitting device 107 emits light having a wavelength corresponding to the band gap expressed between the top level 21 of the valence band of the quantum well and the bottom level 22 of the conduction band.

また、活性層14とn側バンドギャップ変化層76との積層方向の距離は一定の範囲にあり、電子はn型第二半導体層27からn側第一半導体層25へ円滑に移動できるため、電極31により注入された電子は一箇所に集中することなく、図7に示す電子の流れ97のようにn型第二半導体層27、n側バンドギャップ変化層76内及びn側第一半導体層25内を均一に移動することができ、半導体発光素子107の電気抵抗を下げることができる。   Further, the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the n-side band gap changing layer 76 is in a certain range, and electrons can move smoothly from the n-type second semiconductor layer 27 to the n-side first semiconductor layer 25. Electrons injected by the electrode 31 do not concentrate in one place, but in the n-type second semiconductor layer 27, the n-side band gap changing layer 76, and the n-side first semiconductor layer as in the electron flow 97 shown in FIG. 25 can move uniformly, and the electrical resistance of the semiconductor light emitting element 107 can be lowered.

従って、本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can do.

つまり、半導体発光素子107は半導体発光素子101と同様にしきい値電流の低減、電流対光量のスロープ効率の改善、輝度向上等の効果を得ることができる。   That is, the semiconductor light emitting element 107 can obtain effects such as a reduction in threshold current, an improvement in slope efficiency of current versus light intensity, and an improvement in luminance, as in the semiconductor light emitting element 101.

また、半導体発光素子107は半導体発光素子101と同様にn側第一半導体層25、n側バンドギャップ変化層76及びn型第二半導体層27においてIII族窒化物系化合物の結晶のC軸を揃えて積層した場合にn側バンドギャップ変化層76の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。従って、n側バンドギャップ変化層76はn側第一半導体層25の不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間においてキャリア輸送を円滑にすることができる。   Similarly to the semiconductor light emitting device 101, the semiconductor light emitting device 107 has the crystal C axis of the group III nitride compound crystal in the n side first semiconductor layer 25, the n side band gap changing layer 76, and the n type second semiconductor layer 27. When the layers are stacked together, the effect of the n-side band gap changing layer 76, that is, the effect of dispersion of the polarization charge becomes the largest. Therefore, the n-side bandgap changing layer 76 does not increase the impurity concentration of the n-side first semiconductor layer 25, that is, does not cause deterioration of optical characteristics and reliability, and carriers between two semiconductor layers having different compositions from each other. Transport can be made smooth.

なお、半導体発光素子107は図1の半導体発光素子101で説明したn型基板12に半導体層を積層することで半導体発光素子101と同様に裏面電極型の半導体発光素子とすることができる。   The semiconductor light emitting element 107 can be a back electrode type semiconductor light emitting element similar to the semiconductor light emitting element 101 by stacking a semiconductor layer on the n-type substrate 12 described in the semiconductor light emitting element 101 of FIG.

(実施の形態5)
本実施形態は、電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、前記活性層に対して極性がn型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体発光素子であって、前記活性層に対して極性がn型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体発光素子である。
(Embodiment 5)
In this embodiment, an active layer that generates light by recombination of electrons and holes, and a layer on the n-type side of the active layer are stacked, and the composition formula Al x Ga y In 1-x A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by −yN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the active layer side of the first semiconductor layer Is laminated adjacent to the opposite side, and is represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), A band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition monotonously changes in a stepwise manner and a layer adjacent to the side of the band gap changing layer opposite to the first semiconductor layer side are stacked, and the composition formula Al x Ga y In 1-x-y N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1) and the group III nitride reduction represented A semiconductor light emitting device comprising: a second semiconductor layer of an object, wherein an end of the active layer on the n-type side with respect to the active layer reaches a center of a width in a stacking direction of the band gap change layer The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. The semiconductor light emitting device is characterized in that it monotonously changes stepwise from an equal band gap to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer.

本願第四の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子109の断面の概念図を図9に示す。図9において、図1、図3、図5及び図7で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子109と図7の半導体発光素子107との違いは、半導体発光素子109には半導体発光素子107のn側バンドギャップ変化層76を備えず、n側バンドギャップ変化層96を備えたことである。   FIG. 9 shows a conceptual diagram of a cross section of the semiconductor light emitting device 109 according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 9, the same reference numerals as those used in FIGS. 1, 3, 5, and 7 are the same semiconductor layers and have the same functions. The difference between the semiconductor light emitting device 109 and the semiconductor light emitting device 107 of FIG. 7 is that the semiconductor light emitting device 109 does not include the n-side band gap changing layer 76 of the semiconductor light emitting device 107 but includes the n-side band gap changing layer 96. It is.

n側バンドギャップ変化層96は積層方向に組成が階段状に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。すなわち、n側バンドギャップ変化層96は積層方向においてn側バンドギャップ変化層96の一の側から他の側へ前記組成式におけるx及びyの値が階段状に単調変化する組成を有する。例えば、n側バンドギャップ変化層96は、図5で説明したp側バンドギャップ変化層56と同様に構成され、同様の組成のIII族窒化物系化合物が例示できる。 The n-side band gap changing layer 96 is an Al x Ga y In 1-xy N compound layer whose composition monotonously changes stepwise in the stacking direction. That is, the n-side band gap changing layer 96 has a composition in which the values of x and y in the composition formula monotonously change in a stepwise manner from one side to the other side in the stacking direction. For example, the n-side bandgap changing layer 96 is configured in the same manner as the p-side bandgap changing layer 56 described with reference to FIG. 5, and a group III nitride compound having the same composition can be exemplified.

n側バンドギャップ変化層96は組成が階段状に単調変化するため、n側バンドギャップ変化層96内において急峻な組成変化による格子ひずみを低減できる。   Since the composition of the n-side band gap change layer 96 changes monotonously in a stepped manner, lattice strain due to a steep composition change in the n-side band gap change layer 96 can be reduced.

なお、n側バンドギャップ変化層96の膜厚は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましく、3(nm)以上50(nm)以下であることがより好ましい。   The film thickness of the n-side band gap changing layer 96 is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm), and more preferably 3 (nm) or more and 50 (nm) or less.

n側バンドギャップ変化層96にはn型とするために図1のp側バンドギャップ変化層16で説明した不純物濃度の範囲でn型不純物を添加してもよい。具体的にはn型不純物としてSiが例示され、不純物濃度nは5×1017(cm−3)以上5×1018(cm−3)以下の範囲が例示される。なお、n側バンドギャップ変化層96の不純物濃度の範囲は図1のp側バンドギャップ変化層16で説明したようにn側第一半導体層25とn型第二半導体層27とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度及びn側バンドギャップ変化層96の積層方向の幅から算出することが好ましい。 In order to make the n-side band gap changing layer 96 n-type, an n-type impurity may be added in the impurity concentration range described with reference to the p-side band gap changing layer 16 in FIG. Specifically, Si is exemplified as the n-type impurity, and the impurity concentration n is exemplified by a range of 5 × 10 17 (cm −3 ) to 5 × 10 18 (cm −3 ). The impurity concentration range of the n-side band gap changing layer 96 is the interface between the n-side first semiconductor layer 25 and the n-type second semiconductor layer 27 adjacent to each other as described for the p-side band gap changing layer 16 in FIG. It is preferable to calculate from the charge density of the polarization generated in the above and the width of the n-side band gap changing layer 96 in the stacking direction.

半導体発光素子109は以下に説明するように作成される。MOCVD法を用いてn型基板32上にn型下地層13、n側第一半導体層25、n側バンドギャップ変化層96、n型第二半導体層27、活性層14、p側第一半導体層15、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。n側バンドギャップ変化層96は図5の半導体発光素子105で説明したように所定時間毎に階段状に前記製造パラメータを変更して積層させて作成する。なお、活性層14とn側第一半導体層25との界面からn側バンドギャップ変化層96の膜厚の中心までの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下、より好ましくは30(nm)以上100(nm)以下となるようにn側第一半導体層25及びn側バンドギャップ変化層96を積層する。   The semiconductor light emitting device 109 is created as described below. The n-type underlayer 13, the n-side first semiconductor layer 25, the n-side band gap changing layer 96, the n-type second semiconductor layer 27, the active layer 14, and the p-side first semiconductor are formed on the n-type substrate 32 using the MOCVD method. The layer 15, the p-type second semiconductor layer 17, and the p-type contact layer 18 are sequentially stacked. The n-side band gap changing layer 96 is formed by changing the manufacturing parameters in a stepped manner every predetermined time as described with reference to the semiconductor light emitting device 105 of FIG. The distance in the stacking direction from the interface between the active layer 14 and the n-side first semiconductor layer 25 to the center of the film thickness of the n-side band gap change layer 96 is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less, more preferably. The n-side first semiconductor layer 25 and the n-side band gap change layer 96 are stacked so as to be 30 (nm) or more and 100 (nm) or less.

続いて、図1の半導体発光素子101で説明したようにストライプ形状電極91を形成する。続いて、図3の半導体発光素子103で説明したように陰電極部Mを形成して電極31を形成する。   Subsequently, a stripe-shaped electrode 91 is formed as described in the semiconductor light emitting device 101 of FIG. Subsequently, as described in the semiconductor light emitting device 103 in FIG. 3, the negative electrode portion M is formed to form the electrode 31.

n側バンドギャップ変化層96の一の側の組成をn側第一半導体層25の組成と等しくし、他の側の組成をn型第二半導体層27の組成と等しくした場合、図1のp側バンドギャップ変化層16の効果と同じ効果を得られる。すなわち、n側バンドギャップ変化層96の前記一の側とn側第一半導体層25とを隣接し、及び前記他の側とn型半導体層27とを隣接するようにn側バンドギャップ変化層96を積層することで、n側第一半導体層25とn側バンドギャップ変化層96との間及びn側バンドギャップ変化層96とn型第二半導体層27との間に急峻な組成の変化がなくなるため、キャリアの輸送を阻害していた分極電荷を分散させることができ、電子はn型第二半導体層27からn側第一半導体層25へ円滑に移動することができる。   When the composition on one side of the n-side band gap changing layer 96 is made equal to the composition of the n-side first semiconductor layer 25 and the composition on the other side is made equal to the composition of the n-type second semiconductor layer 27, FIG. The same effect as that of the p-side band gap changing layer 16 can be obtained. That is, the n-side bandgap changing layer 96 is adjacent to the one side of the n-side bandgap changing layer 96 and the n-side first semiconductor layer 25, and adjacent to the other side and the n-type semiconductor layer 27. By stacking the layers 96, a steep composition change is made between the n-side first semiconductor layer 25 and the n-side band gap change layer 96 and between the n-side band gap change layer 96 and the n-type second semiconductor layer 27. Therefore, the polarization charge that hinders the transport of carriers can be dispersed, and electrons can move smoothly from the n-type second semiconductor layer 27 to the n-side first semiconductor layer 25.

半導体発光素子109のバンドダイヤグラムの概念図を図10に示す。図10において図2、図4、図6及び図8で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。図10の半導体発光素子109のバンドダイヤグラムにおいて図7の半導体発光素子107のバンドダイヤグラムと異なる部分は活性層14の領域14aに対してn型側においてn側バンドギャップ変化層76の領域76aがなく、n側バンドギャップ変化層96の領域96aが表示されていることである。なお、図10においてp型コンタクト層18からストライプ形状電極19まで及びn型下地層13から電極31までのバンドギャップの一部を省略して表示している。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor light emitting device 109 is shown in FIG. 10, the same reference numerals as those used in FIG. 2, FIG. 4, FIG. 6 and FIG. 8 are regions of the same laminated film and have the same functions. In the band diagram of the semiconductor light emitting device 109 of FIG. 10, the portion different from the band diagram of the semiconductor light emitting device 107 of FIG. 7 has no region 76 a of the n-side band gap changing layer 76 on the n-type side with respect to the region 14 a of the active layer 14. The region 96a of the n-side band gap changing layer 96 is displayed. In FIG. 10, a part of the band gap from the p-type contact layer 18 to the stripe-shaped electrode 19 and from the n-type underlayer 13 to the electrode 31 is omitted.

ストライプ形状電極19を陽極として、電極31を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、ストライプ形状電極19から正孔が半導体発光素子109に注入される。   By applying a voltage using the stripe-shaped electrode 19 as an anode and the electrode 31 as a cathode, electrons are injected from the electrode 11 and holes are injected from the stripe-shaped electrode 19 into the semiconductor light emitting device 109.

活性層14に対してn型側において、n側バンドギャップ変化層96によってn側第一半導体層25の伝導帯の底部準位22とn型第二半導体層27の伝導帯の底部準位22とは階段状に接続され、電子は伝導帯の底部準位22に沿ってエネルギー的に安定するn側第一半導体層25へ移動できる。n側第一半導体層25へ移動した電子は半導体発光素子109の活性層14の各井戸層に集中する。   On the n-type side with respect to the active layer 14, the bottom level 22 of the conduction band of the n-side first semiconductor layer 25 and the bottom level 22 of the conduction band of the n-type second semiconductor layer 27 by the n-side band gap change layer 96. Are connected stepwise, and electrons can move along the bottom level 22 of the conduction band to the n-side first semiconductor layer 25 that is energetically stable. The electrons that have moved to the n-side first semiconductor layer 25 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 109.

一方、ストライプ形状電極19から注入された正孔は図1の半導体発光素子101のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子109の活性層14の各井戸層に集中する。   On the other hand, the holes injected from the stripe-shaped electrode 19 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 109 as described in the band diagram of the semiconductor light emitting device 101 of FIG.

従って、半導体発光素子105は量子井戸の価電子帯のトップ準位21と伝導帯の底部準位22との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。   Accordingly, the semiconductor light emitting device 105 emits light having a wavelength corresponding to the band gap expressed between the top level 21 of the valence band of the quantum well and the bottom level 22 of the conduction band.

また、半導体発光素子109のn側バンドギャップ変化層96は図7の半導体発光素子107のn側バンドギャップ変化層76と同様に活性層14とn側バンドギャップ変化層96との積層方向の距離が一定の範囲にあり、電子は電子の流れ97のようにn型第二半導体層27からn側第一半導体層25へ円滑に移動でき、半導体発光素子109の電気抵抗を下げることができる。   Further, the n-side band gap changing layer 96 of the semiconductor light emitting device 109 is the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the n-side band gap changing layer 96 in the same manner as the n-side band gap changing layer 76 of the semiconductor light emitting device 107 of FIG. Is in a certain range, and electrons can smoothly move from the n-type second semiconductor layer 27 to the n-side first semiconductor layer 25 as in the electron flow 97, and the electrical resistance of the semiconductor light emitting device 109 can be lowered.

従って、本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can do.

つまり、半導体発光素子109は半導体発光素子101と同様にしきい値電流の低減、電流対光量のスロープ効率の改善、輝度向上等の効果を得ることができる。   That is, the semiconductor light emitting device 109 can obtain effects such as a reduction in threshold current, an improvement in slope efficiency of current versus light intensity, and an improvement in luminance, as in the semiconductor light emitting device 101.

また、半導体発光素子109は半導体発光素子101と同様にn側第一半導体層25、n側バンドギャップ変化層96及びn型第二半導体層27においてIII族窒化物系化合物の結晶のC軸を揃えて積層した場合にn側バンドギャップ変化層96の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。従って、n側バンドギャップ変化層96はn側第一半導体層25の不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間においてキャリア輸送を円滑にすることができる。   Similarly to the semiconductor light emitting device 101, the semiconductor light emitting device 109 has the crystal C axis of the group III nitride compound crystal in the n side first semiconductor layer 25, the n side band gap changing layer 96, and the n type second semiconductor layer 27. When the layers are laminated together, the effect of the n-side band gap changing layer 96, that is, the effect of dispersion of the polarization charge becomes the largest. Therefore, the n-side band gap changing layer 96 does not increase the impurity concentration of the n-side first semiconductor layer 25, that is, does not cause deterioration in optical characteristics and reliability, and thus carriers between two semiconductor layers having different compositions from each other. Transport can be made smooth.

なお、半導体発光素子109は図1の半導体発光素子101で説明したn型基板12に半導体層を積層することで半導体発光素子101と同様に裏面電極型の半導体発光素子とすることができる。   The semiconductor light emitting element 109 can be a back electrode type semiconductor light emitting element similar to the semiconductor light emitting element 101 by stacking a semiconductor layer on the n-type substrate 12 described in the semiconductor light emitting element 101 of FIG.

(実施の形態6)
本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子111の断面の概念図を図11に示す。図11において、図1、図3、図5、図7及び図9で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有する。半導体発光素子111と図3の半導体発光素子103との違いは、半導体発光素子111には半導体発光素子103のn側第一半導体層25とn型第二半導体層27との間にn側バンドギャップ変化層76を備えたことである。
(Embodiment 6)
FIG. 11 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor light emitting device 111 according to another embodiment of the first invention of the present application. In FIG. 11, the same reference numerals as those used in FIGS. 1, 3, 5, 7, and 9 are the same semiconductor layers and have the same functions. The difference between the semiconductor light emitting device 111 and the semiconductor light emitting device 103 of FIG. 3 is that the semiconductor light emitting device 111 has an n side band between the n side first semiconductor layer 25 and the n type second semiconductor layer 27 of the semiconductor light emitting device 103. The gap change layer 76 is provided.

半導体発光素子111は以下に説明するように作成される。MOCVD法を用いてn型基板32上にn型下地層13、n型第二半導体層27、n側バンドギャップ変化層76、n側第一半導体層25、活性層14、p側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16、p型第二半導体層17及びp型コンタクト層18を順に積層する。なお、活性層14とp側第一半導体層15との界面からp側バンドギャップ変化層16の膜厚の中心までの積層方向の距離及び活性層14とn側第一半導体層25との界面からn側バンドギャップ変化層76の膜厚の中心までの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下、より好ましくは30(nm)以上100(nm)以下となるようにp側第一半導体層15、p側バンドギャップ変化層16、n側第一半導体層25及びn側バンドギャップ変化層96を積層する。   The semiconductor light emitting device 111 is formed as described below. Using the MOCVD method, the n-type underlayer 13, the n-type second semiconductor layer 27, the n-side band gap changing layer 76, the n-side first semiconductor layer 25, the active layer 14, and the p-side first semiconductor are formed on the n-type substrate 32. The layer 15, the p-side band gap changing layer 16, the p-type second semiconductor layer 17, and the p-type contact layer 18 are sequentially stacked. Note that the distance in the stacking direction from the interface between the active layer 14 and the p-side first semiconductor layer 15 to the center of the film thickness of the p-side band gap change layer 16 and the interface between the active layer 14 and the n-side first semiconductor layer 25. To the center of the film thickness of the n-side band gap changing layer 76 in the stacking direction is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less, more preferably 30 (nm) or more and 100 (nm) or less. The first semiconductor layer 15, the p-side band gap change layer 16, the n-side first semiconductor layer 25, and the n-side band gap change layer 96 are stacked.

続いて、図1の半導体発光素子101で説明したようにストライプ形状電極91を形成する。続いて、図3の半導体発光素子103で説明したように陰電極部Mを形成して電極31を形成する。   Subsequently, a stripe-shaped electrode 91 is formed as described in the semiconductor light emitting device 101 of FIG. Subsequently, as described in the semiconductor light emitting device 103 in FIG. 3, the negative electrode portion M is formed to form the electrode 31.

図1の半導体発光素子101及び図7の半導体発光素子107で説明したようにp側バンドギャップ変化層16及びn側バンドギャップ変化層76を配置したことでキャリアの輸送を阻害していた分極電荷を分散させることができ、正孔はp型第二半導体層17からp側第一半導体層15へ、及び電子はn型第二半導体層27からn側第一半導体層25へ円滑に移動することができる。   As described in the semiconductor light emitting device 101 in FIG. 1 and the semiconductor light emitting device 107 in FIG. 7, the polarization charge that hinders carrier transport by disposing the p-side band gap change layer 16 and the n-side band gap change layer 76. The holes move smoothly from the p-type second semiconductor layer 17 to the p-side first semiconductor layer 15, and the electrons move smoothly from the n-type second semiconductor layer 27 to the n-side first semiconductor layer 25. be able to.

半導体発光素子111のバンドダイヤグラムの概念図を図12に示す。図12において図2、図4、図6、図8及び図10で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。図12の半導体発光素子111のバンドダイヤグラムにおいて図4の半導体発光素子103のバンドダイヤグラムと異なる部分は活性層14の領域14aに対してn型側においてn側バンドギャップ変化層76の領域76aが表示されていることである。なお、図12においてp型コンタクト層18からストライプ形状電極19まで及びn型下地層13から電極31までのバンドギャップの一部を省略して表示している。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor light emitting device 111 is shown in FIG. In FIG. 12, the same reference numerals as those used in FIGS. 2, 4, 6, 8, and 10 are regions of the same laminated film and have the same functions. In the band diagram of the semiconductor light emitting device 111 of FIG. 12, the portion different from the band diagram of the semiconductor light emitting device 103 of FIG. 4 is indicated by the region 76a of the n-side band gap changing layer 76 on the n-type side with respect to the region 14a of the active layer 14. It is that. In FIG. 12, a part of the band gap from the p-type contact layer 18 to the stripe-shaped electrode 19 and from the n-type base layer 13 to the electrode 31 is omitted.

ストライプ形状電極19を陽極として、電極31を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、ストライプ形状電極19から正孔が半導体発光素子111に注入される。   By applying a voltage using the stripe-shaped electrode 19 as an anode and the electrode 31 as a cathode, electrons are injected from the electrode 11 and holes are injected from the stripe-shaped electrode 19 into the semiconductor light emitting device 111.

電極31から注入された電子は図8の半導体発光素子107のバンドギャップで説明したように半導体発光素子111の活性層14の各井戸層に集中する。   Electrons injected from the electrode 31 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 111 as described in the band gap of the semiconductor light emitting device 107 in FIG.

一方、ストライプ形状電極19から注入された正孔は図2の半導体発光素子101のバンドダイヤグラムで説明したように半導体発光素子111の活性層14の各井戸層に集中する。   On the other hand, the holes injected from the stripe-shaped electrode 19 are concentrated in each well layer of the active layer 14 of the semiconductor light emitting device 111 as described in the band diagram of the semiconductor light emitting device 101 of FIG.

従って、半導体発光素子111は量子井戸の価電子帯のトップ準位21と伝導帯の底部準位22との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。   Therefore, the semiconductor light emitting device 111 emits light having a wavelength corresponding to the band gap expressed between the top level 21 of the valence band of the quantum well and the bottom level 22 of the conduction band.

また、半導体発光素子111は図1の半導体発光素子101と同様に活性層14とp側バンドギャップ変化層16との積層方向の距離が一定の範囲にあるため、ストライプ形状電極19により狭搾され注入された正孔は図11に示す正孔の流れ91のように活性層14のストライプ形状電極19の直下の部分に集中して到達する。   Further, the semiconductor light emitting device 111 is squeezed by the stripe-shaped electrode 19 because the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the p-side band gap changing layer 16 is in a certain range, similar to the semiconductor light emitting device 101 of FIG. The injected holes are concentrated and reach the portion immediately below the stripe-shaped electrode 19 of the active layer 14 as shown by a hole flow 91 shown in FIG.

一方、半導体発光素子111は図7の半導体発光素子107と同様に活性層14とn側バンドギャップ変化層76との積層方向の距離が一定の範囲にあり、電子は図11に示す電子の流れ97のようにn型第二半導体層27からn側第一半導体層25へ円滑に移動でき、半導体発光素子111の電気抵抗を下げることができる。   On the other hand, the semiconductor light emitting device 111 has a constant distance in the stacking direction between the active layer 14 and the n-side band gap changing layer 76 as in the semiconductor light emitting device 107 of FIG. 7, and the electrons flow as shown in FIG. As in 97, the n-type second semiconductor layer 27 can smoothly move to the n-side first semiconductor layer 25, and the electrical resistance of the semiconductor light emitting device 111 can be lowered.

従って、本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動できる半導体発光素子を提供することができる。   Accordingly, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of smoothly moving carriers between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without deteriorating optical characteristics and reliability. Can do.

つまり、半導体発光素子111は半導体発光素子101と同様にしきい値電流の低減、電流対光量のスロープ効率の改善、輝度向上等の効果を得ることができる。   That is, the semiconductor light emitting device 111 can obtain effects such as reduction of threshold current, improvement of slope efficiency of current versus light amount, and improvement of brightness, like the semiconductor light emitting device 101.

また、半導体発光素子111は半導体発光素子101及び半導体発光素子107と同様に各半導体層の積層方向と各半導体層のIII族窒化物系化合物のC軸方向とが平行の場合にp側バンドギャップ変化層16及びn側バンドギャップ変化層76の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。   Similarly to the semiconductor light emitting device 101 and the semiconductor light emitting device 107, the semiconductor light emitting device 111 has a p-side band gap when the stacking direction of each semiconductor layer is parallel to the C-axis direction of the group III nitride compound of each semiconductor layer. The effect of the change layer 16 and the n-side band gap change layer 76, that is, the effect of dispersion of the polarization charge becomes the largest.

なお、半導体発光素子111においてp側バンドギャップ変化層16の代替として図5で説明したp側バンドギャップ変化層56又は/及びn側バンドギャップ変化層76の代替として図9で説明したn側バンドギャップ変化層96を配置しても同様の効果を得ることができる。   In the semiconductor light emitting device 111, the n-side band described in FIG. 9 as an alternative to the p-side band gap change layer 56 and / or the n-side band gap change layer 76 described in FIG. Even if the gap change layer 96 is disposed, the same effect can be obtained.

(実施の形態7)
本実施形態は、前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極をさらに備え、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでメサ状であってもよい。
(Embodiment 7)
The embodiment further includes an electrode for applying a voltage from the outside to the side opposite to the band gap changing layer side of the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer or the first semiconductor layer from the electrode. It may be mesa shape.

本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体レーザである半導体発光素子113の断面の概念図を図13に示す。半導体発光素子113と図11の半導体発光素子111との違いは、ストライプ形状電極19からp型第一半導体層15の膜厚の一部までをメサ状に形成し、メサ部8としていることである。図13において、図1、図3、図5、図7、図9及び図11で用いた符号と同じ符号は同じ半導体層であり同じ機能を有するが、半導体発光素子113が半導体レーザとして機能するために、積層される半導体層は以下に説明する半導体であることがさらに望ましい。   FIG. 13 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor light emitting device 113 that is a semiconductor laser according to another embodiment of the first invention of the present application. The difference between the semiconductor light emitting device 113 and the semiconductor light emitting device 111 of FIG. 11 is that the mesa portion 8 is formed in a mesa shape from the stripe-shaped electrode 19 to a part of the thickness of the p-type first semiconductor layer 15. is there. In FIG. 13, the same reference numerals as those used in FIGS. 1, 3, 5, 7, 9, and 11 are the same semiconductor layers and have the same functions, but the semiconductor light emitting device 113 functions as a semiconductor laser. Therefore, the semiconductor layer to be stacked is more preferably a semiconductor described below.

n型下地層13は膜厚1μm以上のSiを不純物としてn型としたGaN化合物であることが望ましい。不純物濃度は3×1018(cm−3)であることが例示される。 The n-type underlayer 13 is preferably a GaN compound that is n-type with Si having a thickness of 1 μm or more as an impurity. It is exemplified that the impurity concentration is 3 × 10 18 (cm −3 ).

n型第二半導体層27は活性層14に電子を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が1000(nm)の前記組成式においてm=0.08、すなわちAl0.08Ga0.92N化合物であり、不純物のSi濃度は3×1018(cm−3)であることが望ましい。 Since the n-type second semiconductor layer 27 functions as a cladding layer for supplying electrons to the active layer 14, m = 0.08, that is, Al 0.08 Ga 0.92 in the composition formula having a film thickness of 1000 (nm). It is an N compound, and the Si concentration of the impurity is desirably 3 × 10 18 (cm −3 ).

n側第一半導体層25は活性層14で発生した光を反射し、導波する光ガイド層として機能させるために膜厚が100(nm)のノンドープのGaN化合物又は不純物のSi濃度が1×1018(cm−3)以下の低ドープのGaN化合物であることが望ましい。 The n-side first semiconductor layer 25 reflects the light generated in the active layer 14 and functions as an optical guide layer that guides the light, and the non-doped GaN compound having a film thickness of 100 (nm) or the impurity Si concentration is 1 ×. A low-doped GaN compound of 10 18 (cm −3 ) or less is desirable.

n側バンドギャップ変化層76はn側第一半導体層25と隣接する側の組成をGaN化合物とし、n型第二半導体層27と隣接する側の組成をAl0.08Ga0.92N化合物としてn側第一半導体層25と隣接する側からn型第二半導体層27と隣接する側へ向かって、Alの組成が0から0.08へ連続的に単調変化し且つGaの組成がx+y=1の関係を保ちつつ1から0.92へ連続的に単調変化していることが望ましい。n側バンドギャップ変化層76の膜厚は10(nm)である。また、添加される不純物のSi濃度は1.5×1018(cm−3)以上9×1018(cm−3)以下の範囲であることが例示され、3×1018(cm−3)であることが好ましい。 In the n-side band gap changing layer 76, the composition adjacent to the n-side first semiconductor layer 25 is a GaN compound, and the composition adjacent to the n-type second semiconductor layer 27 is the Al 0.08 Ga 0.92 N compound. From the side adjacent to the n-side first semiconductor layer 25 toward the side adjacent to the n-type second semiconductor layer 27, the Al composition continuously changes monotonically from 0 to 0.08, and the Ga composition changes to x + y. It is desirable to continuously change monotonically from 1 to 0.92 while maintaining the relationship of = 1. The film thickness of the n-side band gap changing layer 76 is 10 (nm). Moreover, it is illustrated that Si concentration of the impurity added is in the range of 1.5 × 10 18 (cm −3 ) or more and 9 × 10 18 (cm −3 ) or less, and 3 × 10 18 (cm −3 ). It is preferable that

活性層14は井戸層を外側に配置したMQWであり、前記MQWに対してp型側の前記MQWの端に電子バリア層を有する。井戸層は前記組成式においてp=0.87、すなわちGa0.87In0.13N化合物、障壁層は前記組成式においてq=1、すなわちGaN化合物及び前記電子バリア層は前記組成式においてs=0.2、すなわちAl0.2Ga0.8N化合物であることが望ましい。また、前記井戸層の膜厚は3(nm)、前記障壁層の膜厚は10(nm)及び前記電子バリア層の膜厚は20(nm)であることが望ましい。前記電子バリア層はp型とするために不純物としてMgが添加される。不純物濃度は1×1019(cm−3)以上1×1020(cm−3)以下の範囲であることが例示され、5×1019(cm−3)であることが好ましい。 The active layer 14 is an MQW having a well layer disposed outside, and has an electron barrier layer at the end of the MQW on the p-type side with respect to the MQW. The well layer is p = 0.87 in the composition formula, that is, Ga 0.87 In 0.13 N compound, the barrier layer is q = 1 in the composition formula, that is, the GaN compound and the electron barrier layer are s in the composition formula. = 0.2, that is, an Al 0.2 Ga 0.8 N compound is desirable. The well layer preferably has a thickness of 3 nm, the barrier layer has a thickness of 10 nm, and the electron barrier layer has a thickness of 20 nm. Mg is added as an impurity to make the electron barrier layer p-type. The impurity concentration is, for example, in the range of 1 × 10 19 (cm −3 ) to 1 × 10 20 (cm −3 ) and preferably 5 × 10 19 (cm −3 ).

p側第一半導体層15は活性層14で発生した光を反射し、導波する光ガイド層として機能させるために膜厚が100(nm)のノンドープのGaN化合物又は不純物のMg濃度が1×1019(cm−3)以下の低ドープのGaN化合物であることが望ましい。 The p-side first semiconductor layer 15 reflects the light generated in the active layer 14 and functions as an optical guide layer for guiding the non-doped GaN compound having a film thickness of 100 (nm) or the Mg concentration of impurities is 1 ×. A low-doped GaN compound of 10 19 (cm −3 ) or less is desirable.

p型第二半導体層17は活性層14に正孔を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が500(nm)の前記組成式においてm=0.08、すなわちAl0.08Ga0.92N化合物であり、不純物のMg濃度は3×1019(cm−3)であることが望ましい。 Since the p-type second semiconductor layer 17 functions as a cladding layer that supplies holes to the active layer 14, m = 0.08, that is, Al 0.08 Ga 0. It is a 92 N compound, and the Mg concentration of the impurity is desirably 3 × 10 19 (cm −3 ).

p側バンドギャップ変化層16はp側第一半導体層15と隣接する側の組成をGaN化合物とし、p型第二半導体層17と隣接する側の組成をAl0.08Ga0.92N化合物としてp側第一半導体層15と隣接する側からp型第二半導体層17と隣接する側へ向かって、Alの組成が0から0.08へ連続的に単調変化し且つGaの組成がx+y=1の関係を保ちつつ1から0.92へ連続的に単調変化していることが望ましい。p側バンドギャップ変化層16の膜厚は10(nm)である。また、添加される不純物のMg濃度は1.5×1018(cm−3)以上9×1018(cm−3)以下の範囲であることが例示され、3×1018(cm−3)であることが好ましい。 The p-side band gap changing layer 16 has a composition adjacent to the p-side first semiconductor layer 15 as a GaN compound, and a composition adjacent to the p-type second semiconductor layer 17 as an Al 0.08 Ga 0.92 N compound. From the side adjacent to the p-side first semiconductor layer 15 toward the side adjacent to the p-type second semiconductor layer 17, the Al composition continuously changes monotonically from 0 to 0.08 and the Ga composition x + y It is desirable to continuously change monotonically from 1 to 0.92 while maintaining the relationship of = 1. The film thickness of the p-side band gap changing layer 16 is 10 (nm). Moreover, it is illustrated that Mg concentration of the impurity to be added is in the range of 1.5 × 10 18 (cm −3 ) to 9 × 10 18 (cm −3 ), and 3 × 10 18 (cm −3 ). It is preferable that

p型コンタクト層18は膜厚が50(nm)のMgを不純物としてp型としたGaN化合物であることが望ましい。   The p-type contact layer 18 is preferably a GaN compound having a thickness of 50 (nm) and using p-type Mg as an impurity.

半導体発光素子113は、図11の半導体発光素子111を形成した後、メサ部8を形成する。   The semiconductor light emitting device 113 forms the mesa portion 8 after forming the semiconductor light emitting device 111 of FIG.

ストライプ形状電極19を陽極として、電極31を陰極として電圧を印加することで電極11から電子が、ストライプ形状電極19から正孔が半導体発光素子113に注入される。   By applying a voltage using the stripe-shaped electrode 19 as an anode and the electrode 31 as a cathode, electrons are injected from the electrode 11 and holes are injected from the stripe-shaped electrode 19 into the semiconductor light emitting device 113.

図1の半導体発光素子101で説明したように、p側バンドギャップ変化層16によりp型第二半導体層17からp型第一半導体層15の間の正孔輸送が円滑になるため、半導体発光素子113の正孔は結晶性の良いメサ部8の中央付近を移動することができる。   As described in the semiconductor light emitting device 101 of FIG. 1, the p-side bandgap changing layer 16 facilitates hole transport between the p-type second semiconductor layer 17 and the p-type first semiconductor layer 15. The holes of the element 113 can move around the center of the mesa portion 8 having good crystallinity.

また、活性層14とp側バンドギャップ変化層16との積層方向の距離は一定の範囲にあるため、ストライプ形状電極19及びメサ部8により狭搾され注入された正孔はp型第二半導体層17、p側バンドギャップ変化層16内及びp側第一半導体層15内での拡散が減少し、図1に示す正孔の流れ91のように活性層14のストライプ形状電極19の直下の部分に集中して到達する。   Further, since the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the p-side band gap changing layer 16 is in a certain range, the holes injected by being narrowed by the stripe-shaped electrode 19 and the mesa portion 8 are p-type second semiconductor. Diffusion in the layer 17, the p-side band gap changing layer 16 and the p-side first semiconductor layer 15 is reduced, and a hole flow 91 shown in FIG. 1 directly below the stripe-shaped electrode 19 of the active layer 14. Reach concentrated on the part.

一方、半導体発光素子113は図7の半導体発光素子107と同様に活性層14とn側バンドギャップ変化層76との積層方向の距離が一定の範囲にあり、電子は図13に示す電子の流れ97のようにn型第二半導体層27からn側第一半導体層25へ円滑に移動でき、半導体発光素子113の電気抵抗を下げることができる。   On the other hand, in the semiconductor light emitting device 113, the distance in the stacking direction between the active layer 14 and the n-side band gap changing layer 76 is in a certain range, as in the semiconductor light emitting device 107 in FIG. 7, and electrons flow as shown in FIG. As shown in 97, the n-type second semiconductor layer 27 can smoothly move to the n-side first semiconductor layer 25, and the electrical resistance of the semiconductor light emitting device 113 can be lowered.

活性層14に集中した正孔及び電子は再結合してMQWの前記井戸層のバンドギャップで表される波長の光を発生する。p側第一半導体層15及びn側第一半導体層25はガイド層として前記光を導波し、誘導放出を促す。   The holes and electrons concentrated in the active layer 14 are recombined to generate light having a wavelength represented by the band gap of the MQW well layer. The p-side first semiconductor layer 15 and the n-side first semiconductor layer 25 guide the light as a guide layer and promote stimulated emission.

従って、本願発明により、不純物濃度を高めることなく、つまり光学特性及び信頼性の劣化をもたらすことなく互いに組成の異なる二の半導体層との間をキャリアが円滑に移動でき、半導体レーザとして機能する半導体発光素子を提供することができる。   Therefore, according to the present invention, a semiconductor that can smoothly move between two semiconductor layers having different compositions without increasing the impurity concentration, that is, without causing deterioration of optical characteristics and reliability, and functions as a semiconductor laser. A light-emitting element can be provided.

なお、半導体発光素子113において、p側バンドギャップ変化層16の代替として図5で説明したp側バンドギャップ変化層56又は/及びn側バンドギャップ変化層76の代替として図9で説明したn側バンドギャップ変化層96を配置しても同様の効果を得ることができる。   In the semiconductor light emitting device 113, the n-side described in FIG. 9 as an alternative to the p-side band gap changing layer 56 and / or the n-side band gap changing layer 76 described in FIG. Even if the band gap changing layer 96 is provided, the same effect can be obtained.

なお、半導体発光素子113と同様にp側第一半導体層15及びn側第一半導体層25は活性層14で発生した光を反射させるため活性層14より屈折率が小さくなるような組成に設計され、活性層14で発生した光を導波する光ガイド層の機能を有し、p型第二半導体層17及びn型第二半導体層27は活性層14にキャリアを供給するクラッド層としての機能を有することで、半導体発光素子101、半導体発光素子103、半導体発光素子105、半導体発光素子107、半導体発光素子109及び半導体発光素子111は構造全体として半導体レーザとして機能する。   Similar to the semiconductor light emitting device 113, the p-side first semiconductor layer 15 and the n-side first semiconductor layer 25 are designed to have a refractive index smaller than that of the active layer 14 in order to reflect light generated in the active layer 14. The p-type second semiconductor layer 17 and the n-type second semiconductor layer 27 serve as cladding layers for supplying carriers to the active layer 14. By having the function, the semiconductor light emitting element 101, the semiconductor light emitting element 103, the semiconductor light emitting element 105, the semiconductor light emitting element 107, the semiconductor light emitting element 109, and the semiconductor light emitting element 111 function as a semiconductor laser as a whole structure.

本願発明の半導体発光素子の構成は受光素子として利用することができる。また、トランジスタやダイオード等の電子デバイス、HEMTに代表されるような化合物高周波用電子デバイスにも利用することができる。   The configuration of the semiconductor light emitting device of the present invention can be used as a light receiving device. Moreover, it can utilize also for electronic devices, such as a transistor and a diode, and a compound high frequency electronic device represented by HEMT.

本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子101の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the section of semiconductor light emitting element 101 which is one embodiment concerning the 1st invention of this application. 本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子101のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor light emitting element 101 which is one embodiment according to the first invention of the present application. 本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子103の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the semiconductor light-emitting device 103 which is other embodiment which concerns on 1st invention of this application. 本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子103のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor light emitting element 103 which is other embodiment which concerns on 1st invention of this application. 本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子105の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the semiconductor light-emitting device 105 which is one embodiment which concerns on 2nd invention of this application. 本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子105のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor light emitting element 105 which is one embodiment according to the second invention of the present application. 本願第三の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子107の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the semiconductor light-emitting device 107 which is one embodiment which concerns on 3rd invention of this application. 本願第三の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子107のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor light emitting element 107 which is one embodiment according to the third invention of the present application. 本願第四の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子109の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the semiconductor light-emitting device 109 which is one embodiment which concerns on 4th invention of this application. 本願第四の発明に係る一の実施の形態である半導体発光素子109のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor light emitting element 109 which is one embodiment according to the fourth invention of the present application. 本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子111の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the semiconductor light-emitting device 111 which is other embodiment which concerns on 1st invention of this application. 本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子111のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor light emitting element 111 which is other embodiment which concerns on 1st invention of this application. 本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体発光素子113の断面の概念図である。It is a conceptual diagram of the cross section of the semiconductor light-emitting device 113 which is other embodiment which concerns on 1st invention of this application. 従来の半導体発光素子140の断面の概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram of a cross section of a conventional semiconductor light emitting device 140.

符号の説明Explanation of symbols

101、103、105、107、109、111、113、140 半導体発光素子
8 メサ部
11、31 電極
12、32 n型基板
13 n型下地層
14 活性層
15 p側第一半導体層
16、56 p側バンドギャップ変化層
76、96 n側バンドギャップ変化層
17 p型第二半導体層
18 p型コンタクト層
19 ストライプ形状電極
21 価電子帯のトップ準位
22 伝導帯の底部準位
25 n側第一半導体層
27 n型第二半導体層
91 正孔の流れ
97 電子の流れ
11a 電極11の領域
12a n型基板12の領域
13a n型下地層13の領域
14a 活性層14の領域
14b 井戸層の領域
14c 障壁層の領域
14d 電子バリア層の領域
15a p側第一半導体層15の領域
16a p側バンドギャップ変化層16の領域
17a p型第二半導体層17の領域
18a p型コンタクト層18の領域
19a ストライプ形状電極19の領域
25a n側第一半導体層25の領域
27a n型第二半導体層27の領域
31a 電極31の領域
56a p側バンドギャップ変化層56の領域
76a n側バンドギャップ変化層76の領域
96a n側バンドギャップ変化層96の領域
101, 103, 105, 107, 109, 111, 113, 140 Semiconductor light emitting device 8 Mesa portion 11, 31 Electrode 12, 32 n-type substrate 13 n-type underlayer 14 active layer 15 p-side first semiconductor layer 16, 56 p Side band gap changing layer 76, 96 n side band gap changing layer 17 p-type second semiconductor layer 18 p-type contact layer 19 striped electrode 21 top level of valence band 22 bottom level of conduction band 25 n-side first Semiconductor layer 27 n-type second semiconductor layer 91 hole flow 97 electron flow 11a region of electrode 11 12a region of n-type substrate 12 13a region of n-type underlayer 13 14a region of active layer 14b region of well layer 14c Barrier layer region 14d electron barrier layer region 15a p-side first semiconductor layer 15 region 16a p-side band gap changing layer 16 region 17 p-type second semiconductor layer 17 region 18a p-type contact layer 18 region 19a stripe-shaped electrode 19 region 25a n-side first semiconductor layer 25 region 27a n-type second semiconductor layer 27 region 31a electrode 31 region 56a Region of the p-side band gap change layer 56a 76a Region of the n-side band gap change layer 76a Region of the n-side band gap change layer 96

Claims (10)

電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、
前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、
前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記活性層に対して極性がp型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、
前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体発光素子。
An active layer that generates light by recombination of electrons and holes;
Stacked on the p-type side with respect to the active layer, the composition formula is Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first semiconductor layer of a Group III nitride compound,
The first semiconductor layer is laminated adjacent to the side opposite to the active layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction;
The band gap change layer is stacked adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A second semiconductor layer of a group III nitride compound represented by 0 ≦ x + y ≦ 1),
A semiconductor light emitting device comprising:
The distance in the stacking direction from the end of the active layer on the side of the p-type polarity to the active layer to the center of the width in the stacking direction of the band gap change layer is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less. And
The band gap of the band gap changing layer is equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer from a band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A semiconductor light emitting element characterized by continuously monotonously changing to a band gap substantially equal to the band gap.
電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、
前記活性層に対して極性がp型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、
前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記活性層に対して極性がp型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、
前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体発光素子。
An active layer that generates light by recombination of electrons and holes;
Stacked on the p-type side with respect to the active layer, the composition formula is Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first semiconductor layer of a Group III nitride compound,
The first semiconductor layer is laminated adjacent to the side opposite to the active layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition monotonously changes stepwise in the stacking direction;
The band gap change layer is stacked adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A second semiconductor layer of a group III nitride compound represented by 0 ≦ x + y ≦ 1),
A semiconductor light emitting device comprising:
The distance in the stacking direction from the end of the active layer on the side of the p-type polarity to the active layer to the center of the width in the stacking direction of the band gap change layer is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less. And
The band gap of the band gap changing layer is equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer from a band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A semiconductor light-emitting element that monotonously changes in a stepwise manner to a band gap substantially equal to the band gap.
前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極をさらに備え、
前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでメサ状であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
An electrode for applying a voltage from the outside to the side opposite to the band gap changing layer side of the second semiconductor layer;
The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting element has a mesa shape from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer.
電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、
前記活性層に対して極性がn型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、
前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記活性層に対して極性がn型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、
前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体発光素子。
An active layer that generates light by recombination of electrons and holes;
Stacked on the n-type side with respect to the active layer, the composition formula is Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first semiconductor layer of a Group III nitride compound,
The first semiconductor layer is laminated adjacent to the side opposite to the active layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction;
The band gap change layer is stacked adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A second semiconductor layer of a group III nitride compound represented by 0 ≦ x + y ≦ 1),
A semiconductor light emitting device comprising:
The distance in the stacking direction from the end of the active layer on the n-type side with respect to the active layer to the center of the width in the stacking direction of the band gap changing layer is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less. And
The band gap of the band gap changing layer is equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer from a band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A semiconductor light emitting element characterized by continuously monotonously changing to a band gap substantially equal to the band gap.
電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層と、
前記活性層に対して極性がn型の側に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、
前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記活性層に対して極性がn型の側の前記活性層の端から前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅の中心に至るまでの積層方向の距離が30(nm)以上200(nm)以下であり、
前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層に隣接する側の前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層に隣接する側の前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体発光素子。
An active layer that generates light by recombination of electrons and holes;
Stacked on the n-type side with respect to the active layer, the composition formula is Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first semiconductor layer of a Group III nitride compound,
The first semiconductor layer is laminated adjacent to the side opposite to the active layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition monotonously changes stepwise in the stacking direction;
The band gap change layer is stacked adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A second semiconductor layer of a group III nitride compound represented by 0 ≦ x + y ≦ 1),
A semiconductor light emitting device comprising:
The distance in the stacking direction from the end of the active layer on the n-type side with respect to the active layer to the center of the width in the stacking direction of the band gap changing layer is 30 (nm) or more and 200 (nm) or less. And
The band gap of the band gap changing layer is equal to the band gap of the second semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer from a band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer adjacent to the first semiconductor layer. A semiconductor light-emitting element that monotonously changes in a stepwise manner to a band gap substantially equal to the band gap.
前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅は3(nm)以上100(nm)未満であることを特徴とする請求項1から5に記載のいずれかの半導体発光素子。   6. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a width of the band gap change layer in a stacking direction is 3 (nm) or more and less than 100 (nm). 前記第二半導体層のバンドギャップは前記第一半導体層のバンドギャップより広いことを特徴とする請求項1から6に記載のいずれかの半導体発光素子。   7. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a band gap of the second semiconductor layer is wider than a band gap of the first semiconductor layer. 前記第一半導体層、前記バンドギャップ変化層及び前記第二半導体層の積層方向と前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶、前記バンドギャップ変化層のIII族窒化物系化合物の結晶及び前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶のC軸方向とが平行であることを特徴とする請求項1から7に記載のいずれかの半導体発光素子。   Stacking direction of the first semiconductor layer, the band gap changing layer, and the second semiconductor layer and a crystal of a group III nitride compound of the first semiconductor layer, a crystal of a group III nitride compound of the band gap changing layer 8. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the group III nitride compound crystal of the second semiconductor layer is parallel to the C-axis direction. 9. 前記第一半導体層は前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1であり、前記活性層で発生した光を導波する光ガイド層として機能し、
前記第二半導体層は前記組成式においてx=m(0.05≦m≦0.1)及びx+y=1の関係であり、前記活性層にキャリアを供給するクラッド層として機能し、
且つ前記バンドギャップ変化層は前記組成式において0≦x≦m及びx+y=1の関係の範囲であり、
構造全体として半導体レーザとしての機能を有することを特徴とする請求項1から8に記載のいずれかの半導体発光素子。
The first semiconductor layer has x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, and functions as a light guide layer for guiding light generated in the active layer,
The second semiconductor layer has a relationship of x = m (0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1 in the composition formula, and functions as a clad layer for supplying carriers to the active layer,
And the band gap change layer is in the range of the relationship of 0 ≦ x ≦ m and x + y = 1 in the composition formula,
9. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the entire structure functions as a semiconductor laser.
前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物と前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度をρ(cm−2)、前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅をd(cm)と表したとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度n(cm−3)は、0.5ρ/d≦n≦3ρ/dの範囲であることを特徴とする請求項1から9に記載のいずれかの半導体発光素子。





The charge density of polarization generated at an adjacent interface between the group III nitride compound of the first semiconductor layer and the group III nitride compound of the second semiconductor layer is ρ (cm −2 ), and the band gap change layer When the width in the stacking direction is expressed as d (cm), the impurity concentration n (cm −3 ) of the impurity added to the band gap change layer is in the range of 0.5ρ / d ≦ n ≦ 3ρ / d. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein





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