JP2014027240A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光層と、第１、第２中間層と、を含む半導体発光素子が提供される。発光層は、ｎ形、ｐ形半導体層の間に設けられる。発光層は、Ａｌ_ｘｂＩｎ_ｙｂＧａ_{１−ｘｂ−ｙｂ}Ｎの複数の障壁層と、その間のＡｌ_ｘｗＩｎ_ｙｗＧａ_{１−ｘｗ−ｙｗ}Ｎ（ｘｗ≦ｘｂ、ｙｂ＜ｙｗ）を含む井戸層と、を含む。第１中間層は、発光層とｐ形半導体層との間に設けられＡｌ_ｘａＩｎ_ｙａＧａ_{１−ｘａ−ｙａ}Ｎ（ｘｂ≦ｘａ、ｙａ＜ｙｗ）を含む。第２中間層は、第１部分と、第２部分と、を含む。第１部分は、障壁層に接しＡｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（ｘｗ＜ｘ１、ｙａ＜ｙ１＜ｙｗ）を含む。第２部分は、第１中間層に接しＡｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（ｘｗ＜ｘ２、ｙａ≦ｙ２＜ｙ１）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

ＬＤ(Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode)などの半導体発光素子において、発光効率の向上が求められている。例えば、半導体発光素子において、活性層への正孔の注入が不十分であると、活性層における発光結合効率が低下する。

"Genetic Algorithm for Innovative Device Designs in High-Efficiency III-V Nitride Light-Emitting Diodes", Di Zhu, Martin F. Schubert, Jaehee Cho, E.Fred Schubert, Mary H.Crawford, Daniel D. Koleske, Hyunwook Shim, and Cheolsoo Sone, Applied Physics Express 5 (2012) 012102.

本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光層と、第１中間層と、第２中間層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記ｎ形半導体層は、窒化物半導体を含む。前記ｐ形半導体層は、前記ｎ形半導体層の［０００１］方向の側に設けられ窒化物半導体を含む。前記発光層は、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられる。前記発光層は、Ａｌ_ｘｂＩｎ_ｙｂＧａ_{１−ｘｂ−ｙｂ}Ｎ（０≦ｘｂ≦１、０≦ｙｂ≦１）の複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられＡｌ_ｘｗＩｎ_ｙｗＧａ_{１−ｘｗ−ｙｗ}Ｎ（０≦ｘｗ≦１、ｘｗ≦ｘｂ、０＜ｙｗ≦１、ｙｂ＜ｙｗ）を含む井戸層と、を含む。前記井戸層は、前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。前記第１中間層は、前記発光層と前記ｐ形半導体層との間に設けられＡｌ_ｘａＩｎ_ｙａＧａ_{１−ｘａ−ｙａ}Ｎ（０＜ｘａ≦１、ｘｂ≦ｘａ、０＜ｙａ≦１、ｙａ＜ｙｗ）を含み前記障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。前記第２中間層は、第１部分と、第２部分と、を含む。前記第１部分は、前記第１中間層と前記発光層との間において前記複数の障壁層のうちでｐ形半導体層に最も近いｐ側障壁層に接しＡｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１≦１、ｘｗ＜ｘ１、０≦ｙ１≦１、ｙａ＜ｙ１＜ｙｗ）を含む。前記第２部分は、前記第１部分と前記第１中間層との間において前記第１中間層に接しＡｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２≦１、ｘｗ＜ｘ２、０≦ｙ２≦１、ｙａ≦ｙ２＜ｙ１）を含む。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｈ）は、半導体発光素子を示す模式図である。 図４（ａ）〜図４（ｅ）は、半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。 図５（ａ）〜図５（ｅ）は、半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。 図６（ａ）〜図６（ｅ）は、半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。 図７（ａ）〜図７（ｅ）は、半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。 図８（ａ）〜図８（ｅ）は、半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。 図９（ａ）〜図９（ｅ）は、半導体発光素子の構成及び特性を示す模式図である。 図１０は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式図である。 図１２は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。図１（ｂ）は、半導体発光素子におけるバンドギャップエネルギー（価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖ０及び導電帯のバンドギャップエネルギーＥｃ０）を例示している。図１（ｃ）は、半導体発光素子におけるＡｌ組成比ｘ（Ａｌ）を例示している。図１（ｄ）は、半導体発光素子におけるＩｎ組成比ｙ（Ｉｎ）を例示している。
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図１（ａ）〜図１（ｄ）及び図２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、発光層３０と、第１中間層４５と、第２中間層４６と、を含む。

ｎ形半導体層１０は、窒化物半導体を含む。ｐ形半導体層２０は、ｎ形半導体層１０の［０００１］方向の側に設けられ、窒化物半導体を含む。例えば、ｎ形半導体層１０のｐ形半導体層２０と対向する主面１０ａは、例えば、（０００１）面である。ただし、後述するように、主面１０ａが、（０００１）面でなくても良く、結晶軸に対して傾斜していても良い。

発光層は、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられる。発光層３０は、複数の障壁層３１と、井戸層３２と、を含む。井戸層３２は、複数の障壁層３１の間に設けられる。障壁層３１は、Ａｌ_ｘｂＩｎ_ｙｂＧａ_{１−ｘｂ−ｙｂ}Ｎ（０≦ｘｂ≦１、０≦ｙｂ≦１）を含む。井戸層３２は、Ａｌ_ｘｗＩｎ_ｙｗＧａ_{１−ｘｗ−ｙｗ}Ｎ（０≦ｘｗ≦１、ｘｗ≦ｘｂ、０＜ｙｗ≦１、ｙｂ＜ｙｗ）を含む。井戸層３２は、複数の障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。複数の障壁層３１は、複数の障壁層３１のうちでｐ形半導体層２０に最も近いｐ側障壁層３１ｐを有している。

第１中間層４５は、発光層３０とｐ形半導体層２０との間に設けられる。第１中間層４５は、Ａｌ_ｘａＩｎ_ｙａＧａ_{１−ｘａ−ｙａ}Ｎ（０＜ｘａ≦１、ｘｂ≦ｘａ、０＜ｙａ≦１、ｙａ＜ｙｗ）を含む。第１中間層４５は、障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。

第２中間層４６は、第１部分４１と、第２部分４２と、を含む。第１部分４１は、第１中間層４５と発光層３０との間においてｐ側障壁層３１ｐ（複数の障壁層３１のうちでｐ形半導体層２０に最も近い障壁層３１）に接する。第１部分４１は、Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１≦１、ｘｗ＜ｘ１、０≦ｙ１≦１、ｙａ＜ｙ１＜ｙｗ）を含む。第２部分４２は、第１部分４１と第１中間層４５との間において第１中間層４５に接する。第２部分４２は、Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２≦１、ｘｗ＜ｘ２、０≦ｙ２≦１、ｙａ≦ｙ２＜ｙ１）を含む。

このように、半導体発光素子１１０においては、発光層３０とｐ形半導体層２０との間に、上記の第１中間層４５と第２中間層４６とを含むｐ側中間層４０が設けられる。第１中間層４５と第２中間層４６との間の境界は、例えば電子顕微鏡などによる観察において、認識できる場合もあるし、できない場合もある。各層における組成は、例えば、３次元アトムプローブ（Three dimensional Atom Probe）などを用いた評価により得られる。

ｎ形半導体層１０からｐ形半導体層２０に向かう方向をＺ軸方向とする。例えば、半導体発光素子１１０において、ｎ形半導体層１０の上に発光層３０が設けられ、発光層３０の上に第２中間層４６が設けられ、第２中間層４６の上に第１中間層４５が設けられ、第１中間層４５の上にｐ形半導体層２０が設けられている。ｎ形半導体層１０、発光層３０、第２中間層４６、第１中間層４５及びｐ形半導体層２０は、この順に、Ｚ軸方向に積層されている。

本明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。「積層される」状態は、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。

ｐ形半導体層２０は、発光層３０を介して、ｎ形半導体層１０と対向する。本明細書において、「対向する」状態は、直接的に面する状態の他に、間に別の要素が挿入されて間接的に面する状態も含む。

以下では、説明を簡単にするために、「下側」または「上側」という場合がある。「下側」は、ｎ形半導体層１０の側に対応し、「上側」は、ｐ形半導体層２０の側に対応する。

ｎ形半導体層１０には、例えば、ｎ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかを用いることができる。ｎ形半導体層１０は、例えば、ｎ側コンタクト層を含む。

ｐ形半導体層２０には、例えば、ｐ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｐ形不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかを用いることができる。ｐ形半導体層２０は、例えば、ｐ側コンタクト層を含む。

発光層３０は、例えば、ＳＱＷ構造（Single quantum well structure)を有する。この場合は、井戸層３２の数は、１である。発光層３０は、例えば、ＭＱＷ構造（Multiple quantum well structure)を有する。この場合は、井戸層３２の数は、２以上である。

図２に例示したように、例えば、発光層３０は、（ｎ＋１）個の障壁層３１（ｎは１以上の整数）と、ｎ個の井戸層３２と、を含むことができる。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）（ｉは１以上ｎ以下の整数）は、第ｉ障壁層ＢＬｉとｐ形半導体層２０との間に配置される。第ｉ井戸層ＷＬｉは、第ｉ障壁層ＢＬｉと第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）との間に配置される。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）が、ｐ側障壁層３１ｐに対応する。

半導体発光素子１１０において、ｎ形半導体層１０及びｐ形半導体層２０を介して、発光層３０に電流が供給され、発光層３０において光が放出される。発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば３６５ナノメートル（ｎｍ）以上１５５０ｎｍ以下である。ピーク波長は、３８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることがより好ましい。さらにピーク波長は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがより好ましい。

発光層３０から放出される光のピーク波長が、３６５ｎｍ以上１５５０ｎｍ以下になるように、例えば、井戸層３２におけるバンドギャップエネルギー及び井戸層３２の厚さが設定される。

井戸層３２には、例えば、Ｉｎ_ｙｗＧａ_１−ｙｗＮ（０＜ｙｗ≦１、ｙｂ＜ｙｗ）が用いられる。井戸層３２におけるＩｎ組成比ｙｗは、例えば、０．００１以上１以下である。Ｉｎ組成比ｙｗは、例えば、０．０３以上０．２８以下である。このとき、発光層３０から放出される光のピーク波長は、３８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下となる。Ｉｎ組成比ｙｗは、例えば、０．０６以上０．１８５以下である。このとき、発光層３０から放出される光のピーク波長は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下となる。

井戸層３２の厚さは、例えば、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である。複数の井戸層３２が設けられる場合において、複数の井戸層３２における組成及び厚さは、互いに異なっていても良い。

障壁層３１には、例えば、Ｉｎ_ｙｂＧａ_１−ｙｂＮ（０≦ｙｂ≦１）が用いられる。障壁層３１におけるＩｎ組成比ｙｂは、例えば０．００５以下である。障壁層３１には、例えば、ＧａＮが用いられる。障壁層３１の厚さは、例えば、２．５ｎｍ以上７ｎｍ以下である。複数の障壁層３１における組成及び厚さは、互いに異なっていても良い。

半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＥＤである。また、半導体発光素子１１０は、ＬＤでも良い。この場合、ｎ形半導体層１０の少なくとも一部、及び、ｐ形半導体層２０の少なくとも一部は、発光層３０から放出される光を導波する機能を有する。

本実施形態においては、発光層３０とｐ形半導体層２０との間に、上記の構成を有するｐ側中間層４０（すなわち第１中間層４５及び第２中間層４６）が設けられる。第２中間層４６においては、発光層３０の側の第１部分４１のバンドギャップエネルギーが、ｐ形半導体層２０の側の第２部分４２のバンドギャップエネルギーよりも小さい。

例えば、第２中間層４６におけるバンドギャップエネルギーは、Ｚ軸方向に沿って傾斜している。例えば、第２中間層４６におけるＩｎ組成比は、ｎ形半導体層１０からｐ形半導体層２０に向かう方向（Ｚ軸方向）に沿って減少する。例えば、第２中間層４６におけるＩｎ組成比は、Ｚ軸方向に沿って直線的に沿って減少する。

このような構成を有するｐ側中間層４０（すなわち第１中間層４５及び第２中間層４６）を設けることで、発光層３０への電荷の注入効率が向上する。具体的には、発光層３０からｐ形半導体層２０へ向けての電子の移動（オーバーフロー）を抑制しつつ、ｐ形半導体層２０から発光層３０へ正孔を効果的に注入する。これにより、発光再結合効率を向上する。実施形態によれば、高効率の半導体発光素子が提供できる。

実施形態に係る上記の構成は、以下の検討に基づいて導出された。
以下では、説明を簡単にするために、障壁層３１にＧａＮを用い、井戸層３２にＩｎＧａＮを用いる場合として説明する。

図３（ａ）〜図３（ｈ）は、半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体発光素子１３１（構成は図示せず）に対応する。半導体発光素子１３１においては、ｐ側中間層４０のバンドギャップエネルギーが一定である。例えば、ｐ側中間層４０として、ＡｌＧａＮが用いられ、ｐ側中間層４０におけるＡｌ組成比は一定である。

図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、半導体発光素子１３２（構成は図示せず）に対応する。半導体発光素子１３２においては、ｐ側中間層４０のバンドギャップエネルギーが、Ｚ軸方向に沿って減少している。このようなバンドギャップエネルギーの傾斜を「逆傾斜」ということにする。例えば、ｐ側中間層４０として、ＡｌＧａＮが用いられ、ｐ側中間層４０におけるＡｌ組成比はＺ軸方向に沿って減少する。

図３（ｅ）及び図３（ｆ）は、半導体発光素子１３３（構成は図示せず）に対応する。半導体発光素子１３３においては、ｐ側中間層４０のバンドギャップエネルギーが、Ｚ軸方向に沿って増大している。このようなバンドギャップエネルギーの傾斜を「順傾斜」ということにする。例えば、ｐ側中間層４０として、ＡｌＧａＮが用いられ、ｐ側中間層４０におけるＡｌ組成比はＺ軸方向に沿って増大する。

図３（ｇ）及び図３（ｈ）は、半導体発光素子１３４（構成は図示せず）に対応する。半導体発光素子１３４においては、ｐ側中間層４０に、第１中間層４５と、第２中間層４６と、が設けられている。第２中間層４６におけるバンドギャップエネルギーは、Ｚ軸方向に沿って増大する。すなわち、第２中間層４６にバンドギャップエネルギーが小さい第１部分４１と、バンドギャップエネルギーが相対的に大きい第２部分４２と、が設けられる。第１中間層４５におけるバンドギャップエネルギーは、実質的に一定であり、第２部分４２におけるバンドギャップエネルギーと実質的に同じである。例えば、ｐ側中間層４０として、ＡｌＧａＮが用いられる。第２部分４２におけるＡｌ組成比は、Ｚ軸方向に沿って増大する。第２部分４２におけるＡｌ組成比は、第１部分４１におけるＡｌ組成比よりも高い。第１中間層４５におけるＡｌ組成比は、第２部分４２におけるＡｌ組成比と実質的に同じである。このように、半導体発光素子１３４においては、ｐ側中間層４０として、順傾斜のバンドギャップエネルギーを有する第２中間層４６と、バンドギャップエネルギーが一定の第１中間層４５と、が設けられる。

図３（ａ）、図３（ｃ）、図３（ｅ）及び図３（ｇ）は、各層の組成比から求められる単純なバンドギャップエネルギー（価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖ０及び伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃ０）を、概念的に示している。

図３（ｂ）、図３（ｄ）、図３（ｆ）及び図３（ｈ）は、実際の素子における実用バンドギャップエネルギー（価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐ及び伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐ）を、概念的に示している。実際の素子においては、各層が積層されて格子定数の差異に起因してピエゾ電界が生じる。また、実際の動作においては、電界が印加される。実用バンドギャップエネルギーにおいては、このピエゾ電界と、印加電界と、が考慮されている。

図３（ａ）に表したように、半導体発光素子１３１においては、バンドギャップエネルギーが大きいｐ側中間層４０を設けることで、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃ０に電子に対する障壁が形成される。このため、発光層３０の側（ｐ側障壁層３１ｐの側）から、ｐ形半導体層２０に向かう電子が、ｐ側中間層４０でブロックされる。一方、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖ０においても、正孔に対する障壁が形成される。このため、ｐ形半導体層２０から発光層３０への正孔の注入が抑制されると考えられる。

同様に、図３（ｂ）に例示した実用バンドギャップエネルギーに基づいて考察しても、上記のような電子に対するブロック効果と、正孔の注入の抑制効果と、が生じる、と考えられる。すなわち、ｐ側中間層４０は、電子をブロックし、さらに正孔の注入を抑制する。このため、特に、正孔の発光層３０への注入が不十分になり、発光効率は低い。

これに対して、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に例示した「逆傾斜」構成を有する半導体発光素子１３２が考えられる。
図３（ｃ）に表したように、単純なバンドギャップエネルギーに基づいて考察すると、半導体発光素子１３２においては、ｐ側中間層４０において、電子がブロックされると期待される。そして、「逆傾斜」構成により、ｐ側中間層４０における正孔の注入の抑制効果が低下し、注入効率が向上すると期待される。

しかしながら、実際の素子においては、ピエゾ電界及び印加電界の影響が大きく、バンドギャップエネルギープロファイルは、図３（ｄ）に例示した状態になる。すなわち、実際の素子においては、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐのピークは、半導体発光素子１３１（図３（ｂ）参照）におけるピークよりも低くなる。すなわち、電子に対するブロック効果が小さくなる。さらに、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトム（スパイク）の下端は、半導体発光素子１３１（図３（ｂ）参照）におけるボトムと同等である。すなわち、正孔の注入の抑制効果は、半導体発光素子１３１と同等である。

このように、半導体発光素子１３２においては、正孔の注入効率を向上するためにｐ側中間層４０に「逆傾斜」構成を導入したにもかかわらず、ピエゾ電界と印加電界とが存在する実際の素子においては、正孔の注入効率は低いままであり、さらに、電子のブロック効果が低減してしまう。

一方、図３（ｅ）及び図３（ｆ）に例示した「順傾斜」のｐ側中間層４０を用いた半導体発光素子１３３が考えられる。
図３（ｅ）に表したように、単純なバンドギャップエネルギーに基づいて考察すると、半導体発光素子１３３においては、ｐ側中間層４０において電子のブロック効果が低く、ｐ側中間層４０において正孔の注入の抑制効果が高いと考えられる。

しかしながら、実際の素子においては、ピエゾ電界及び印加電界の影響が大きく、バンドギャップエネルギープロファイルは、図３（ｆ）に例示した状態になる。すなわち、実際の素子においては、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムは、半導体発光素子１３１におけるボトムよりも上側になる。すなわち、正孔に対する障壁が低くなる。このため、半導体発光素子１３３においては、正孔の注入効率は、半導体発光素子１３１よりも向上する。一方、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐの幅が、半導体発光素子１３１におけるピークの幅よりも狭くなる。すなわち、ｐ側中間層４０における伝導帯の、電子に対する障壁の実効的な厚さが薄い。このため、場合によっては、トンネリング効果により、電子はｐ側中間層４０を通過して、ｐ形半導体層２０に流入する。すなわち、電子に対するブロック効果は、半導体発光素子１３１よりも低くなる。

このように、単純なバンドギャップエネルギーに基づいて考察すると、正孔の注入効率が低いと推定される半導体発光素子１３３において、ピエゾ電界及び印加電界が存在する実際の構成においては、正孔の注入効率が向上する。しかしながら、上記のように、電子のブロック効果が低くなる。

さらに、ｐ側中間層４０として、第２中間層４６と、第１中間層４５と、が設けられた半導体発光素子１３４が考えられる。
図３（ｈ）に表したように、ｐ側中間層４０に、順傾斜の第２中間層４６に加えて、高バンドギャップエネルギーの第１中間層４５を設けることで、ピエゾ電界及び印加電界が存在する実際の素子においても、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐの幅は、十分大きく維持できる。このため、トンネリング効果が実質的に生じない。このため、電子に対する高いブロック効果が得られる。

さらに、図３（ｈ）に表したように、半導体発光素子１３４においては、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムは、半導体発光素子１３１よりも上側となる。すなわち、半導体発光素子１３４においては、正孔の注入効率は、半導体発光素子１３１よりも向上する。

以上のように、半導体発光素子１３１においては、電子をブロックするためのｐ側中間層４０において、正孔の注入が抑制されるため、発光効率が低い。これに対して、ｐ側中間層４０における正孔の注入を促進することを期待して逆傾斜のｐ側中間層４０を設けた半導体発光素子１３２においては、ピエゾ電界及び印加電界が存在する実際の素子においては、正孔の注入効率は向上せず、電子のブロック効果が低くなる。

これに対して、順傾斜のｐ側中間層４０を設けた半導体発光素子１３３においては、ピエゾ電界及び印加電界が存在する実際の素子において、正孔の注入効率が向上する。しかしながら、ｐ側中間層４０における伝導帯の障壁の実効的な厚さが薄くなり、電子のブロック効果が低くなる。

さらに、ｐ側中間層４０として、順傾斜の第２中間層４６と、第１中間層４５と、を設けた半導体発光素子１３４においては、ピエゾ電界及び印加電界が存在する実際の素子において、ｐ側中間層４０における伝導帯の障壁の実効的な厚さを維持して電子のブロック効果を得つつ、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムを上昇させる。これにより、正孔の注入効率が向上する。

以上の検討から、ｐ側中間層４０として、バンドギャップエネルギーが大きい第１中間層４５と、順傾斜の第２中間層４６と、を設ける構成において、電子を効果的にブロックしつつ、正孔の注入効率が向上でき、高い発光効率が得られることが分かった。

各種の構成を有する半導体発光素子の特性をシミュレーションした結果を説明する。
図４（ａ）〜図４（ｅ）、図５（ａ）〜図５（ｅ）、図６（ａ）〜図６（ｅ）、図７（ａ）〜図７（ｅ）、図８（ａ）〜図８（ｅ）、及び、図９（ａ）〜図９（ｅ）は、半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。

図４（ａ）〜図４（ｅ）は、上記の半導体発光素子１３１に対応する。半導体発光素子１３１において、ｐ側中間層４０には、ＡｌＧａＮが用いられ、ｐ側中間層４０におけるＡｌ組成比は、０．２で一定である。ｐ側中間層４０の厚さは、１０ｎｍである。

図５（ａ）〜図５（ｅ）は、上記の半導体発光素子１３２に対応する。半導体発光素子１３２において、ｐ側中間層４０には、ＡｌＧａＮが用いられる。ｐ側中間層４０のうちの発光層３０の側の部分におけるＡｌ組成比は、０．２であり、ｐ形半導体層２０の側の部分におけるＡｌ組成比は、０である。ｐ側中間層４０において、Ａｌ組成比は直線状に傾斜（逆傾斜）している。ｐ側中間層４０の厚さは、１０ｎｍである。

図６（ａ）〜図６（ｅ）は、上記の半導体発光素子１３３に対応する。半導体発光素子１３３において、ｐ側中間層４０には、ＡｌＧａＮが用いられる。ｐ側中間層４０のうちの発光層３０の側の部分におけるＡｌ組成比は、０であり、ｐ形半導体層２０の側の部分におけるＡｌ組成比は、０．２である。ｐ側中間層４０において、Ａｌ組成比は直線状に傾斜（順傾斜）している。ｐ側中間層４０の厚さは、１０ｎｍである。

図７（ａ）〜図７（ｅ）は、上記の半導体発光素子１３４に対応する。半導体発光素子１３４においては、ｐ側中間層４０には、ＡｌＧａＮが用いられる。第１中間層４５におけるＡｌ組成比は、０．２である。第２中間層４６におけるＡｌ組成比は、発光層３０の側の部分（第１部分４１）において０であり、第１中間層４５の側の部分（第２部分４２）において０．２である。第２中間層４６におけるＡｌ組成比は直線状に傾斜している。第１中間層４５の厚さは、５ｎｍである。第２中間層４６の厚さは、５ｎｍである。

図８（ａ）〜図８（ｅ）は、半導体発光素子１３５（構成は図示せず）に対応する。半導体発光素子１３５においても、第１中間層４５と第２中間層４６とが設けられる。半導体発光素子１３４においては、ｐ側中間層４０として３元のＡｌＧａＮが用いられるのに対して、半導体発光素子１３５においては、ｐ側中間層４０として４元のＡｌＩｎＧａＮが用いられる。この例では、ｐ側中間層４０におけるＩｎ組成比は、０．０２で一定である。第１中間層４５におけるＡｌ組成比は、０．２４である。第２中間層４６におけるＡｌ組成比は、発光層３０の側の部分（第１部分４１）において０．１８であり、第１中間層４５の側の部分（第２部分４２）において０．２４である。第２中間層４６におけるＡｌ組成比は直線状に傾斜している。第１中間層４５の厚さは、５ｎｍｎｍである。第２中間層４６の厚さは、５ｎｍｎｍである。

図９（ａ）〜図９（ｅ）は、半導体発光素子１１０に対応する。半導体発光素子１１０においても、第１中間層４５と第２中間層４６とが設けられる。半導体発光素子１１０においては、ｐ側中間層４０として４元のＡｌＩｎＧａＮが用いられる。この例では、ｐ側中間層４０におけるＡｌ組成比は、０．２４で一定である。第１中間層４５におけるＩｎ組成比は、０．０２である。第２中間層４６におけるＩｎ組成比は、発光層３０の側の部分（第１部分４１）において０．０６であり、第１中間層４５の側の部分（第２部分４２）において０．０２である。第２中間層４６におけるＩｎ組成比は直線状に傾斜している。第１中間層４５の厚さは、５ｎｍである。第２中間層４６の厚さは、５ｎｍである。

上記の半導体発光素子１３１〜１３５及び１１０において、ｎ形半導体層１０は、ｎ形のＧａＮであり、その厚さは、２０００ｎｍである。障壁層３１は、ＧａＮであり、その厚さは、１５ｎｍである。井戸層３２は、ＩｎＧａＮであり、その厚さは、３ｎｍである。井戸層３２の数は、４である。ｐ形半導体層２０は、ｐ形ＧａＮであり、その厚さは、１００ｎｍである。

図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）及び図９（ａ）は、半導体発光素子１３１〜１３５及び１１０における伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐのシミュレーション結果をそれぞれ示している。図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）及び図９（ｂ）は、半導体発光素子１３１〜１３５及び１１０における価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのシミュレーション結果をそれぞれ示している。上記のバンドギャップエネルギーＥｃｐ及びＥｖｐにおいては、ピエゾ電界及び印加電界が考慮されている。

図４（ｃ）、図５（ｃ）、図６（ｃ）、図７（ｃ）、図８（ｃ）及び図９（ｃ）は、半導体発光素子１３１〜１３５及び１１０における、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃ０及び価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖ０をそれぞれ模式的に示している。これらのバンドギャップエネルギーは、組成比から求められる単純なバンドギャップエネルギーであり、ピエゾ電界及び印加電界は考慮されていない。

図４（ｄ）、図５（ｄ）、図６（ｄ）、図７（ｄ）、図８（ｄ）及び図９（ｄ）は、半導体発光素子１３１〜１３５及び１１０における、Ａｌ組成比ｘ（Ａｌ）を例示している。図４（ｅ）、図５（ｅ）、図６（ｅ）、図７（ｅ）、図８（ｅ）及び図９（ｅ）は、半導体発光素子１３１〜１３５及び１１０における、Ｉｎ組成比ｙ（Ｉｎ）を例示している。

図４（ａ）に示したように、半導体発光素子１３１においては、ｐ側中間層４０において電子がブロックされる。そして、図４（ｂ）に示したように、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトム（スパイク）が低く、発光層３０への正孔の注入が抑制される。このため発光効率は低い。

図５（ａ）に示したように、「逆傾斜」構成を有する半導体発光素子１３２においては、電子に対するブロック効果が小さくなる。そして、図５（ｂ）に示したように、ピエゾ電界及び印加電界の影響により、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトム（スパイク）の下端は低いままであり、正孔の注入が抑制される。このため、発光効率が低い。

図６（ｂ）に示したように、「順傾斜」構成を有する半導体発光素子１３３においては、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムが高くなり、正孔の注入効率が向上する。一方、図６（ａ）に表したように、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐの幅が狭くなり、電子に対するブロック効果は低くなる。

図７（ａ）に表したように、第２中間層４６と、第１中間層４５と、を含むＡｌＧａＮのｐ側中間層４０が設けられた半導体発光素子１３４においては、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐの幅は、十分大きく維持でき、電子に対する高いブロック効果が得られる。そして、図７（ｂ）に表したように、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムは、半導体発光素子１３１よりも上側となる。このため、半導体発光素子１３４においては、正孔の注入効率が、半導体発光素子１３１よりも向上する。

図８（ａ）に表したように、ＡｌＩｎＧａＮのｐ側中間層４０が設けられ、Ｉｎ組成比が一定で、Ａｌ組成比が傾斜する第２中間層４６と、第１中間層４５と、を含む半導体発光素子１３５においても、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐの幅は、十分大きく維持でき、電子に対する高いブロック効果が得られる。そして、図８（ｂ）に示したように、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムは、半導体発光素子１３１よりも上側となる。このため、半導体発光素子１３５においては、正孔の注入効率が、半導体発光素子１３１よりも向上する。

図９（ａ）に表したように、ＡｌＩｎＧａＮのｐ側中間層４０が設けられ、Ａｌ組成比が一定で、Ｉｎ組成比が傾斜する第２中間層４６と、第１中間層４５と、を含む半導体発光素子１１０においても、伝導帯のバンドギャップエネルギーＥｃｐの幅は、十分大きく維持でき、電子に対する高いブロック効果が得られる。そして、図８（ｂ）に示したように、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムは、半導体発光素子１３１よりも上側となる。この例では、価電子帯のバンドギャップエネルギーＥｖｐのボトムの部分に、細いスパイク状の極小値部分が生じている。しかし、この細いスパイク状の極小値部分の厚さは、薄いため、正孔は、この部分を十分に通過できる。従って、半導体発光素子１１０においては、正孔の注入効率が、半導体発光素子１３１よりも向上する。

図１０は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図１０は、上記の半導体発光素子１３１〜１３５、及び、半導体発光素子１１０の特性のシミュレーション結果を例示している。図１０の横軸は、電流密度ＣＤ（アンペア／平方センチメートル：Ａ／ｃｍ^２）である。縦軸は、内部量子効率ＩＱＥである。

図１０から分かるように、ｐ側中間層４０におけるバンドギャップエネルギーが一定の半導体発光素子１３１においては、内部量子効率ＩＱＥが低い。逆傾斜のｐ側中間層４０が設けられた半導体発光素子１３２においては、内部量子効率ＩＱＥは、半導体発光素子１３１よりもさらに低い。

順傾斜のｐ側中間層４０が設けられた半導体発光素子１３３においては、内部量子効率ＩＱＥは、半導体発光素子１３１に比べて向上している。特に、高電流密度領域において、半導体発光素子１３３の内部量子効率ＩＱＥは高い。

第２中間層４６と、第１中間層４５と、を含むｐ側中間層４０が設けられた半導体発光素子１３４、１３５及び１１０においても、特に、高電流密度領域において、内部量子効率ＩＱＥは、半導体発光素子１３１よりも高い。さらに、これらの半導体発光素子においては、低電流密度領域における内部量子効率ＩＱＥが高い。

半導体発光素子１３４、１３５及び１１０を比べると、第２中間層４６においてＡｌ組成比が一定でＩｎ組成比が傾斜する半導体発光素子１１０においては、特に低電流領域における内部量子効率が、半導体発光素子１３４及び１３５のそれよりも非常に高い。

このように、第１中間層４５と、バンドギャップエネルギーが順傾斜する第２中間層４６と、が設けられるｐ側中間層４０を用いる場合においては、ｐ側中間層４０として、３元のＡｌＧａＮを用いる構成（半導体発光素子１３４）よりも、４元のＡｌＩｎＧａＮを用いる構成（半導体発光素子１３５及び１１０など）の方が、低電流密度領域において、高い内部量子効率ＩＱＥが得られる。そして、４元のＡｌＩｎＧａＮを用いる構成においては、第２中間層４６においてＡｌ組成比を傾斜させる構成（半導体発光素子１３５）に比べて、第２中間層４６においてＩｎ組成比を傾斜させる構成（半導体発光素子１１０）の方が、高い内部量子効率が得られる。

このように、本実施形態に係る半導体発光素子によれば、電荷の注入効率を向上し、高効率の半導体発光素子を提供できる。

ｐ側中間層４０として、４元のＡｌＩｎＧａＮを用いると、ＧａＮとの格子不整合率を小さくすることができる。このため、例えば、ｐ形半導体層２０の結晶性を向上することができる。これにより、ｐ形半導体層２０の抵抗が低減できる。また、光吸収を抑制できる。

半導体発光素子１１０においては、第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１、第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２及び第１中間層４５におけるＡｌ組成比ｘａを０．２４とし、第１部分４１におけるＩｎ組成比ｙ１を０．０５とし、第２部分４２におけるＩｎ組成比ｙ２及び第１中間層４５におけるＩｎ組成比ｙａを０としている。ｘ１、ｘ２、ｘａ、ｙ１、ｙ２及びｙ２を種々に変えて、内部量子効率ＩＱＥをシミュレーションにより求めたところ、他の値でも、半導体発光素子１１０と同様の結果が得られる。

本実施形態においては、第１部分４１のバンドギャップエネルギーは、ｐ側障壁層３１ｐのバンドギャップエネルギー以上である。例えば、図１（ｂ）に示した半導体発光素子１１０のように、第１部分４１のバンドギャップエネルギーは、ｐ側障壁層３１ｐのバンドギャップエネルギーと同じでも良い。

第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２は、例えば第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１と実質的に同じである。例えば、製造上の誤差や測定誤差などを考慮すると、第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２は、第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１のプラスマイナス（±）１０％である。

また、ｐ側中間層４０において、Ａｌ組成比が実質的に一定でも良い。例えば、第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１及び第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２は、第１中間層４５におけるＡｌ組成比ｘａと実質的に同じである。例えば、製造上の誤差や測定誤差などを考慮すると、第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１、及び、第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２は、第１中間層４５におけるＡｌ組成比ｘａの±１０％である。

第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１、第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２及び第１中間層４５におけるＡｌ組成比ｘａは、例えば、０．００１以上０．５以下である。ｘ１、ｘ２及びｘａは、例えば、０．０１以上０．５以下でも良い。実施形態において、第１中間層４５におけるＡｌ組成比ｘａは、第２中間層４６におけるＡｌ組成比（Ａｌ組成比ｘ１及びＡｌ組成比ｘ２）とは異なっても良い。第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１は、第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２とは異なっても良い。

第１部分４１におけるＩｎ組成比ｙ１は、例えば、０．００５以上０．１以下である。第２部分４２におけるＩｎ組成比ｙ２は、例えば０以上０．００５未満である。

第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１、第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２及び第１中間層４５におけるＡｌ組成比ｘａは、例えば、０．２以上０．５以下である。ｘ１、ｘ２及びｘａは、例えば０．３以上０．５以下でも良い。このとき、第１部分４１におけるＩｎ組成比ｙ１は、例えば、０．０１以上０．０７以下であり、第２部分４２におけるＩｎ組成比ｙ２及び第１中間層４５におけるＩｎ組成比ｙａは、例えば、０．００５未満である。ｙ１、ｙ２及びｙａは、０．０１以上でも良い。ただし、ｙ２＜ｙ１である。

例えば、ｘ１、ｘ２及びｘａは、例えば、０．３２であり、ｙ１は、例えば、０．０５であり、ｙ２及びｙａは、例えば、０である。

第２部分４２におけるＡｌ組成比ｘ２は、第１部分４１におけるＩｎ組成比ｙ１の４．５倍以上であることが好ましい。第１部分４１におけるＡｌ組成比ｘ１が、第１部分４１におけるＩｎ組成比ｙ１の４．５倍以上でも良い。ｘ１及びｘ２が、ｙ１の４．５倍未満であり、すなわち、第２中間層４６におけるＩｎ組成比が過度に高いと、格子間隔の不整合が大きくなり、結晶性の低下を招く。ｘ１及びｘ２が、ｙ１の４．５倍以上のときに、格子間隔の不整合が小さくでき、高い結晶性を維持し易くなる。

本実施形態において、第１中間層４５の厚さは、第２中間層４６の厚さの０．５倍以上２倍以下である。例えば、第１中間層４５の厚さは、第２中間層４６の厚さ以上である。これにより、電子に対する障壁の実効的な厚さが維持できる。これにより、電子のブロック効果が十分に発揮できる。

第１中間層４５の厚さは、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。第１中間層４５の厚さが５ｎｍ未満の場合、電子に対する障壁の実効的な厚さが過度に薄くなる。第１中間層４５の厚さが３０ｎｍを超えると、例えば、動作電圧が高くなり過ぎる。

第２中間層４６の厚さは、例えば、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。第２中間層４６の厚さが１ｎｍ未満の場合、例えば、第２中間層４６におけるＩｎ組成比の制御が困難になり、所望のバンドギャップエネルギープロファイルを得ることが困難になる。第２中間層４６の厚さが２０ｎｍを超えると、例えば、動作電圧が高くなり過ぎる。

本実施形態において、ｐ側中間層４０は、ｐ形不純物を含んでも良い。ｐ形不純物としては、例えば、Ｍｇが用いられる。

第２部分４２におけるｐ形不純物の濃度は、第１部分４１におけるｐ形不純物の濃度よりも高いことが好ましい。これにより、発光層３０への正孔の注入効率がより向上する。このとき、第１部分４１は、ｐ形不純物を実質的に含まなくても良い。

第１部分４１におけるｐ形不純物（例えばＭｇ)の濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３未満（例えば、５×１０^１８ｃｍ^−３）である。第２部分４２におけるｐ形不純物（例えばＭｇ）の濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３未満（例えば、５×１０^１９ｃｍ^−３）である。

第１中間層４５におけるｐ形不純物（例えばＭｇ）の濃度は、第２中間層４６におけるｐ形不純物（例えばＭｇ）の濃度以上であることが好ましい。これにより、発光層３０への正孔の注入効率がより向上する。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１１（ａ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２の一部の構成を例示する模式的断面図である。図１１（ｂ）は、半導体発光素子１１２におけるＡｌ組成比ｘ（Ａｌ）を例示している。図１１（ｃ）は、半導体発光素子１１２におけるＩｎ組成比ｙ（Ｉｎ）を例示している。

図１１（ａ）に例示したように、半導体発光素子１１２の構成は、半導体発光素子１１０の構成と同じである。図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１２におけるＡｌ組成比ｘ（Ａｌ）のプロファイル及びＩｎ組成比ｙ（Ｉｎ）のプロファイルが、半導体発光素子１１０におけるそれらとは異なる。これ以外は、半導体発光素子１１０と同じなので説明を省略する。

図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１２においては、Ａｌ組成比ｘ（Ａｌ）及びＩｎ組成比ｙ（Ｉｎ）が、連続的に変化する。このように、本実施形態において、組成比は、連続的に、緩やかに変化しても良い。

組成の測定方法によっては、実際の組成の変化に比べて、測定された組成の変化の方が緩やかに変化する場合もある。このような場合も、実施形態に含まれる。

本実施形態においては、ピエゾ電界に基づく特性を反映して、ｐ側中間層４０の構成が定められている。ピエゾ電界の効果は、例えば、井戸層３２におけるＩｎ組成比ｙｗが比較的高いときに、大きくなる。このため、本実施形態は、Ｉｎ組成比ｙｗが比較的高い、例えば、０．０６以上０．１８５以下のときに、発光効率を向上する効果が大きくなる。本実施形態においては、発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。このときに、発光効率を向上する効果が特に大きくなる。

既に説明したように、本実施形態においては、ｐ形半導体層２０は、例えば、ｎ形半導体層１０の［０００１］方向の側に配置される。ｎ形半導体層１０のｐ形半導体層２０と対向する主面１０ａは、（０００１）面から一定の角度で傾斜していても良い。

図１２は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図１２は、窒化物半導体層の主面（例えば主面１０ａ）と、窒化物半導体層の結晶方向と、の角度θ１と、生じるピエゾ分極Ｐｐ（クーロン／平行メートル：Ｃ／ｍ^２）との関係を例示する図である。ここで、角度θ１は、窒化物半導体層の＜０００１＞方向と、主面１０ａの法線と、間の角度である。角度θ１が０度である状態は、主面１０ａが（０００１）面である状態に相当する。ピエゾ分極Ｐｐは、生じる分極のうちの、Ｚ軸方向に沿う成分である。図１２では、一例として、ＧａＮ層の上にＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層を成長させる場合の特異、及び、ＧａＮ層の上にＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ層を成長させる場合の特性が示されている。

図１２から分かるように、角度θ１が０度〜４０度のときに、ピエゾ分極Ｐｐは負であり、角度θ１が４０度を超えると、ピエゾ分極Ｐｐは正となる。すなわち、角度θ１が４０度以下のときには、主面１０ａを（０００１）面としたときと同じ極性のピエゾ分極が生じる。

従って、本実施形態においては、ｎ形半導体層１０の発光層３０に対向する主面１０ａの法線と、ｎ形半導体層１０の＜０００１＞方向との、の間の角度θ１は、０度以上４０度以下である。この場合に、上記で説明した方向（極性）のピエゾ電界が生じ、これに応じて、半導体層におけるバンドギャップエネルギーのプロファイルが形成され、実施形態に係るｐ側中間層４０の効果が適正に得られる。このようにｎ形半導体層１０の主面１０ａが、（０００１）面から傾斜していても良い。

なお、角度θ１が０度である場合は、ｎ形半導体層１０の発光層３０に対向する主面１０ａの法線が、ｎ形半導体層１０の＜０００１＞方向に対して平行である状態に相当する。

ｎ形半導体層１０の主面１０ａは、例えば、ｃ面である。例えば、基板（図示しない）の上に、図示しないバッファ層が形成され、バッファ層の上に、ｎ形半導体層１０、発光層３０、ｐ側中間層４０及びｐ形半導体層２０が順次形成される。上記の基板には、例えば、ｃ面サファイア基板が用いられる。または、基板として、例えば、（１１０）、（１１１）及び（１００）のいずれかのシリコン（Ｓｉ）基板を用いても良い。これらの層の形成の後に、基板及びバッファ層が除去されても良い。

本実施形態において、半導体層の成長方法には、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、または、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法などの任意の方法を用いることができる。

実施形態によれば、電荷の注入効率を向上し、高効率の半導体発光素子が提供できる。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれるｎ形半導体層、ｐ形半導体層、発光層、井戸層、障壁層、ｐ側中間層、第１中間層及び第２中間層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ｎ形半導体層、 １０ａ…主面、 ２０…ｐ形半導体層、 ３０…発光層、 ３１…障壁層、 ３１ｐ…ｐ側障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…ｐ側中間層、 ４１…第１部分、 ４２…第２部分、 ４５…第１中間層、 ４６…第２中間層、 θ１…角度、 １１０〜１１２、１３１〜１３５…半導体発光素子、 ＢＬ…障壁層、 ＢＬ１〜ＢＬｎ…第１〜第ｎ障壁層、 ＣＤ…電流密度、 ＩＱＥ…内部量子効率、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬｎ…第１〜第ｎ井戸層

Claims (20)

1. 窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層の［０００１］方向の側に設けられ窒化物半導体を含むｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、Ａｌ_ｘｂＩｎ_ｙｂＧａ_{１−ｘｂ−ｙｂ}Ｎ（０≦ｘｂ≦１、０≦ｙｂ≦１）の複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられＡｌ_ｘｗＩｎ_ｙｗＧａ_{１−ｘｗ−ｙｗ}Ｎ（０≦ｘｗ≦１、ｘｗ≦ｘｂ、０＜ｙｗ≦１、ｙｂ＜ｙｗ）を含み前記複数の障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する井戸層と、を含む発光層と、
   前記発光層と前記ｐ形半導体層との間に設けられＡｌ_ｘａＩｎ_ｙａＧａ_{１−ｘａ−ｙａ}Ｎ（０＜ｘａ≦１、ｘｂ≦ｘａ、０＜ｙａ≦１、ｙａ＜ｙｗ）を含み前記障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する第１中間層と、
   前記第１中間層と前記発光層との間において前記複数の障壁層のうちでｐ形半導体層に最も近いｐ側障壁層に接しＡｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（０＜ｘ１≦１、ｘｗ＜ｘ１、０≦ｙ１≦１、ｙａ＜ｙ１＜ｙｗ）を含む第１部分と、前記第１部分と前記第１中間層との間において前記第１中間層に接しＡｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（０＜ｘ２≦１、ｘｗ＜ｘ２、０≦ｙ２≦１、ｙａ≦ｙ２＜ｙ１）を含む第２部分と、を含む第２中間層と、
   を備えた半導体発光素子。
2. 前記第２中間層におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に沿って減少する請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２中間層におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に直線的に沿って減少する請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記第１部分のバンドギャップエネルギーは、前記第２部分のバンドギャップエネルギーよりも小さい請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記第１部分のバンドギャップエネルギーは、前記ｐ側障壁のバンドギャップエネルギー以上である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記ｘ２は、前記ｘ１のプラスマイナス１０％である請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
7. 前記ｘ１及び前記ｘ２は、前記ｘａのプラスマイナス１０％である請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 前記ｘ１、前記ｘ２及び前記ｘａは、０．００１以上０．５以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
9. 前記ｙ１は、０．００５以上０．１以下であり、
   前記ｙ２は、０以上０．１未満である請求項８記載の半導体発光素子。
10. 前記ｘ２は、前記ｙ１の４．５倍以上である請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
11. 前記ｘ１、前記ｘ２及び前記ｘａは、０．２以上０．５以下であり、
    前記ｙ１は０．０１以上０．０７以下であり、
    前記ｙ２及び前記ｙａは、０．００５未満である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
12. 前記第１中間層の厚さは、前記第２中間層の厚さの０．５倍以上２倍以下である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
13. 前記第１中間層の厚さは、５ナノメートル以上３０ナノメートル以下である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
14. 前記第２中間層の厚さは、１ナノメートル以上２０ナノメートル以下である請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
15. 前記第２部分におけるｐ形不純物の濃度は、前記第１部分におけるｐ形不純物の濃度よりも高い請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
16. 前記第１部分におけるｐ形不純物の濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３未満であり、
    前記第２部分におけるｐ形不純物の濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３未満である請求項１〜１５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
17. 前記第１中間層におけるｐ形不純物の濃度は、前記第２中間層におけるｐ形不純物の濃度以上である請求項１〜１６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
18. 前記ｎ形半導体層の前記発光層に対向する主面の法線は、前記ｎ形半導体層の＜０００１＞方向に対して平行である請求項１〜１７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
19. 前記ｎ形半導体層の前記発光層に対向する主面の法線と、前記ｎ形半導体層の＜０００１＞方向と、の間の角度は、０度以上４０度以下である請求項１〜１７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
20. 前記発光層から放出される光のピーク波長は、３６５ナノメートル以上１５５０ナノメートル以下である請求項１〜１９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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