JP2016181553A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリアオーバーフローが抑制され、発光層へのキャリア注入効率が高く、高い発光効率並びに温度特性の良好な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、ｎ型半導体層上の超格子構造層１３と、その上の第１の制御層１５Ｂと第２の制御層１５Ｗとからなる電子注入制御層１５と、その上の障壁層１７Ｂ及び量子井戸層１７Ｗの繰り返しからなる発光層１７とを有する。電子注入制御層１５Ｂの第２の制御層１５Ｗは発光層１７の量子井戸層１７Ｗと同一の組成及び同一の層厚又は発光層１７の量子井戸層１７Ｗよりもバンドギャップの小なる組成を有する。電子注入制御層１５の第１の制御層１５Ｂは、超格子構造層１３の第２の半導体層１３Ｂに接した第１制御井戸層１５Ｂ１と、第２の制御層１５Ｗに接した第２制御井戸層１５Ｂ２とを有する。第１の制御層１５Ｂは、第１制御井戸層１５Ｂ１及び第２制御井戸層１５Ｂ２の間にある。
【選択図】図６

Description

本発明は、発光ダイオード（LED:Light Emitting Diode）、レーザイオード（LD:Laser Diode）等の半導体発光素子に関し、特に、多重量子井戸（MQW:Multiple Quantum Well)構造の発光層を有する半導体発光素子に関する。

半導体発光素子における発光効率等の発光特性を向上するために、発光層に多重量子井戸構造を採用することが知られている。

例えば、特許文献１には、多重量子井戸構造の発光層からｎ型第１層に向けて順に積層された第１積層体と第２積層体とを有する半導体素子が開示されている。第１積層体はＩｎＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層構造からなり、第２積層体は第１積層体と異なる組成からなる積層構造を有している。

特開２０１３−６５６３２号公報

ＬＥＤ等の半導体発光素子は、動作温度が上昇した場合、一般的に発光出力が低下する。このような発光出力の低下は、キャリアオーバーフローによる電子・ホール再結合効率の低下、結晶内の欠陥によるキャリア捕獲確率の上昇、キャリア注入効率の減少等による。

特許文献１に記載された半導体素子において、第１積層体は第２積層体と発光層の間に障壁層として存在しており、発光層の井戸層との境界がＩｎＧａＮの障壁層になっている。このため、キャリアはｎ型半導体層側の井戸層に入る前にｐ側半導体層側に進んでしまい、結果として過剰なキャリアがｐ側に集中する。よって、発光層ｐ側に位置するｐ型閉じ込めバリア層からのキャリアオーバーフローを引き起こしてしまう。

本発明は、高温動作時においてもキャリアオーバーフローが抑制され、発光効率及び発光出力の低下の少ない半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子は、ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成され、第１の半導体層及び前記第１の半導体層よりもバンドギャップの大なる組成の第２の半導体層が繰り返し形成された超格子構造層と、
前記超格子構造層の前記第２の半導体層上に形成された第１の制御層と前記第１の制御層上に形成された第２の制御層とからなる電子注入制御層と、
前記第２の制御層上に形成された、障壁層及び量子井戸層が繰り返し形成された発光層と、を有し、
前記第２の制御層は、前記発光層の前記量子井戸層と同一の組成及び同一の層厚を有するか、又は前記発光層の前記量子井戸層よりもバンドギャップの小なる組成を有し、
前記第１の制御層は、前記超格子構造層の前記第２の半導体層に接し且つ前記超格子構造層の前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく且つ前記第２の制御層よりもバンドギャップの大なる組成を有する第１制御井戸層と、前記第２の制御層に接し且つ前記超格子構造層の前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく且つ前記第２の制御層よりもバンドギャップの大なる組成を有する第２制御井戸層と、を有し、
前記第１の制御層は、前記第１制御井戸層及び前記第２制御井戸層の間に、前記第１制御井戸層及び前記第２制御井戸層よりもバンドギャップの大なる組成を有する少なくとも１つの制御障壁層を有することを特徴とする。

本発明の実施形態である半導体発光素子(以下、単に、発光素子又は素子ともいう)の半導体構造層の構成を模式的に示す断面図である。 図１の半導体構造層の構成の一部を模式的に示す断面図である。 図２の半導体構造層の構成の一部のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムである。 ＬＥＤ素子サンプルの第１の制御層のＩｎ組成ｙ１に対する光出力の温度特性をプロットしたグラフである。 本発明による実施例１の発光素子における半導体構造層の構成の一部を模式的に示す断面図である。 図５の半導体構造層の構成の一部のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムである。 本発明による実施例１〜３及び比較例の発光素子における半導体構造層の電子注入制御層の部分を模式的に示すバンドダイアグラムである。 本発明による実施例１〜３及び比較例の発光素子における半導体構造層の電子注入制御層の第１の制御層の制御井戸層のＩｎ組成（ｙ１）を変化させた場合の光出力をプロットしたグラフである。 本発明による実施例１〜３及び比較例の作成した素子における第１の制御層の積層数に対応する光出力をプロットしたグラフである。

本発明の多重量子井戸構造の発光層を有する半導体発光素子について以下に説明する。以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

一般的に、ＬＥＤ等の半導体発光素子は動作温度が上昇した場合、発光出力が低下する。すなわち、温度が上昇すると、電子が再結合せずに発光層を通り過ぎる量が増えてくる（電子オーバーフロー現象）。温度が上昇してもキャリアを効率よく発光層に導ければ、オーバーフロー現象を低減させることができ、結果的に温度特性を向上させることができる。

本発明者は、このような考えに基づき実験を行い、温度特性と発光効率を同時に向上させることが可能な構造、すなわち、超格子構造層と発光層の間に電子注入制御層を設ける構造を見出した。

図１は、半導体構造層がＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる半導体構造層１０の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、半導体構造層１０は、ｎ型半導体層１１、超格子構造層１３、電子注入制御層１５、多重量子井戸構造を有する発光層（以下、単に、発光層という。）１７、電子ブロック層１８、ｐ型半導体層１９がこの順で順次、成長用基板（図示していない）上に積層された構成を有している。また、半導体構造層１０を有する半導体発光素子は、ｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１９に電圧を印加するｎ電極及びｐ電極（図示していない）をそれぞれの側に有している。

ｎ型半導体層１１は、例えば、Ｓｉ等のｎ型ドーパントがドープされたＧａＮ層からなる。電子ブロック層１８は、例えばＡｌＧａＮ層からなる。電子ブロック層１８は、ｐ型ドーパントを含んでいてもよい。ｐ型半導体層１９（ｐ−クラッド層）は、例えば、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがドープされたＧａＮ層からなる。なお、ｐ型半導体層１９とｐ電極の間にコンタクト層を設けてもよい。

図２は、半導体構造層１０の超格子構造層１３、電子注入制御層１５、発光層１７、電子ブロック層１８の積層構造を示す断面図である。

図３は図２の半導体構造層１０のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムであり、ＣＢは伝導帯、ＶＢは価電子帯を示している。

図２及び図３を参照して、超格子構造層１３と発光層１７の間に電子注入制御層１５を設けた構造について説明する。

［超格子構造層］
図２に示すように、超格子構造層１３は、複数の第１の半導体層１３Ｗ（井戸層）及び複数の第２の半導体層１３Ｂ（障壁層）がそれぞれ交互に積層されている。図３に示すように、第２の半導体層１３Ｂは、第１の半導体層１３Ｗのバンドギャップ（Ｅｓｗ）よりバンドギャップ（Ｅｓｂ）の大なる組成を有している。超格子構造層１３は第２の半導体層１３Ｂ（ＧａＮ障壁層）で終端している。

超格子構造層１３はｎ−ＧａＮ層１１と発光層１７の格子不整合を緩和する役割を果たし、同時にｎ−ＧａＮ層１１から流入する電子を減速し、結晶面内方向の電流拡散を促進させる役割も担う。

［電子注入制御層］
超格子構造層１３の最終層である第２の半導体層１３Ｂ上には、電子注入制御層１５が形成されている。電子注入制御層１５は、第２の半導体層１３Ｂに接する第１の制御層１５Ｂと、該第１の制御層１５Ｂ上に形成されている第２の制御層１５Ｗとから構成されている。

第１の制御層１５Ｂは、超格子構造層１３の第２の半導体層１３Ｂよりバンドギャップの小なる組成（バンドギャップ：Ｅｃｂ）を有し、また、層厚Ｌｃｂを有している。そして第１の制御層１５Ｂ上には、第２の制御層１５Ｗ（層厚Ｌｃｗ）が形成されている。

電子注入制御層１５は、超格子構造層１３から注入された電子の発光層１７への注入効率を制御する。すなわち、電子注入制御層１５は、超格子構造層１３から注入された電子を減速して、電子のオーバーフローを抑制し、発光層１７の各井戸層１７Ｗへの注入効率を向上させる機能を有する。

［発光層］
電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗ上には、障壁層１７Ｂ及び量子井戸層(以下、単に、井戸層ともいう)１７Ｗが繰り返し形成された量子井戸構造の発光層１７が形成されている。発光層１７の各障壁層１７Ｂは同一組成（バンドギャップ：Ｅａｂ）及び同一層厚（Ｌｂ）を有し、井戸層１７Ｗの各々は同一組成（バンドギャップ：Ｅａｗ）及び同一層厚（Ｌｚ）を有している。そして、上記した電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗの組成（バンドギャップ：Ｅｃｗ）は発光層１７の井戸層１７Ｗと同一組成（すなわち、Ｅｃｗ＝Ｅａｗ）であり、井戸層１７Ｗと同一層厚（層厚Ｌｃｗ＝Ｌｚ）を有している。

［電子注入制御層を有する素子の性能試験］
以下に、電子注入制御層を有するＬＥＤについて行った性能試験について説明する。ＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる半導体構造層１０を用いてＬＥＤを製作し、その発光特性について評価を行った。

結晶成長用基板として、表面がＣ面の２インチ円形のサファイア単結晶基板を用い、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相堆積法：Metalorganic Chemical Vapor Deposition）を用い、当該基板上にＬＥＤ構造層である半導体構造層１０を成長した。

まず、低温ＧａＮ緩衝層を３０ｎｍ厚で成長し、その上に半導体構造層１０を成長した。半導体構造層１０として、ｎ−ＧａＮ層１１、超格子構造層１３（第１の半導体層１３Ｗ、第２の半導体層１３Ｂ）、電子注入制御層１５（第１の制御層１５Ｂ、第２の制御層１５Ｗ）、発光層１７（障壁層１７Ｂ、量子井戸層１７Ｗ）、ｐ−ＧａＮ層１９をこの順で順次積層した。

下記表１に、製作したＬＥＤの半導体構造層１０の材料と膜厚を示す。

超格子構造層１３として、第１の半導体層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ層１３Ｗと第２の半導体層１３Ｂの２層を４周期分繰り返して形成した。

超格子構造層１３の最終層のＧａＮ層１３Ｂ上に、電子注入制御層１５の第１の制御層１５Ｂ層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ）と第２の制御層１５Ｗ（Ｉｎ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ）を順に形成した。両層のＩｎ組成は０＜ｙ１＜ｙ２＜１の関係であった。

電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗ（Ｉｎ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ）上に、発光層１７を形成した。発光層１７として、障壁層１７Ｂ（Ｉｎ_z1Ｇａ_1-z1Ｎ）及び井戸層１７Ｗ（Ｉｎ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ）のペアを９周期分繰り返して形成した。これら層のＩｎ組成は０≦ｚ１＜ｚ２＜１の関係であった。なお、井戸層１７Ｗ（Ｉｎ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ）のＩｎ組成を発光波長が４５０ｎｍとなるように調整した。

また、ｎ型半導体層１１にはｎ型ドーパントとしてＳｉを、ｐ型半導体層１９にはｐ型ドーパントとしてＭｇをそれぞれドープした。

最後に、ｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１９に電圧を印加するｎ電極及びｐ電極（図示しない）をｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１９に形成してＬＥＤ素子を作製した。

性能試験のために、電子注入制御層１５の第１の制御層１５Ｂ（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ）のＩｎ組成（ｙ１）や層厚を変化させた複数のＬＥＤ素子サンプルを作製した。第１の制御層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂを５．４ｎｍ及び６．７ｎｍとし、第１の制御層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成（ｙ１）を０〜８％（ｙ１＝０〜０．０８）の範囲で変化させた素子サンプルについて、特性を評価した。なお、電子注入制御層１５の第２の制御層１５Ｗ（Ｉｎ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ）の組成は発光層１７の井戸層１７Ｗ（Ｉｎ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ）と同一組成（すなわち、ｙ２＝ｚ２）とした。

また、第２の制御層１５Ｗが、発光層１７の井戸層１７Ｗよりバンドギャップの小なる組成（すなわち、ｙ２≧ｚ２）を有し、且つ、井戸層１７Ｗの層厚より層厚が小さい第２の制御層１５ＷのＬＥＤ素子も作製した。このＬＥＤ素子も、電子注入制御層１５から井戸層１７Ｗへの電子注入の効果は殆ど変化しなかった。

ＬＥＤ素子サンプルについて、ＬＥＤ素子の動作温度を２５℃から７０℃に変化させ、一定電流を流した時の輝度（光出力）を比較することによって温度特性評価を行った。

図４は、ＬＥＤ素子サンプルの第１の制御層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂが５．４ｎｍ及び６．７ｎｍの場合について、第１の制御層のＩｎ組成ｙ１に対する光出力の温度特性をプロットしたグラフである。なお、光出力は規格化した任意単位（ａ．ｕ．）として示している。全体的な傾向として、動作温度を２５℃から７０℃に上昇させると、ＬＥＤ素子の光出力が低下している。よって、温度上昇によって、キャリア（電子）のオーバーフロー現象が顕著になっていると考えられる。

図４から分かるように、第１の制御層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成が０（ｙ１＝０）の場合、すなわち超格子構造層１３の最終層であるＧａＮ障壁層と同一組成の場合、Ｉｎ組成ｙ１＞０の場合に比べて光出力は低くなっていることが分かる。これは、キャリアオーバーフローによって電子注入制御層１５に近い側の発光層１７の井戸層１７Ｗへの電子注入が低く、発光への寄与が小さいことが要因と考えられる。

一方、第１の制御層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）１５ＢのＩｎ組成（ｙ１）を増加させていくと、徐々に光出力は増加し、第１の制御層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚Ｌｃｂが５．４ｎｍの場合ではＩｎ組成が３．５％（ｙ１＝０．０３５）のときに光出力が最大となり、層厚Ｌｃｂが６．７ｎｍの場合ではＩｎ組成が６．４％（ｙ１＝０．０６４）のときに光出力が最大となっている。これは、第１の制御層１５ＢのＩｎ組成が０すなわち、（ｙ１＝０）の場合、すなわち超格子構造層１３の最終層であるＧａＮ障壁層と同一組成の場合に比べて１５％の光出力の向上に相当する。また、光出力が最大となるＩｎ組成ｙ１の最適値以上では光出力は徐々に減少する。Ｉｎ組成が最適ゾーン（すなわち、光出力が増加するｙ１の領域）以上においては、電子注入制御層１５に近い側にある井戸層１７Ｗが電子過多の状態になり、その分、電子注入制御層１５から遠い側にある井戸層１７Ｗへの電子注入が減少するからであると考えられる。

なお、Ｉｎ組成ｚ１は２％以下にしてある。つまり第１の制御層１５ＢのＩｎ組成ｙ１は発光層１７の障壁層１７ＢのＩｎ組成ｚ１より大きいこと（ｙ１＞ｚ１）、すなわち第１の制御層１５Ｂのバンドギャップが発光層１７の障壁層１７Ｂのバンドギャップより小さいことが好ましいことが分かる。

図４から分かるように、第１の制御層（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）１５Ｂの層厚ＬｃｂによってＩｎ組成ｙ１の最適ゾーンが異なっている。

具体的には、第１の制御層１５Ｂが６ｎｍ以下の場合、好ましいＩｎ組成は１〜６％程度で、更に好ましくは、２〜５％程度であった。第１の制御層１５Ｂの層厚Ｌｃｂが６〜１２ｎｍ程度の場合、好ましいＩｎ組成は４〜１２％程度で、更に好ましくは、５〜８％程度であった。これらから、第１の制御層のＩｎ組成は２〜１０％の範囲内であり、層厚は１０ｎｍ以下であることが好ましいことが分かる。

以上より、素子の電子注入制御層１５の第１の制御層１５ＢのＩｎ組成を制御することによって、素子の発光出力の向上と温度特性の向上を同時に実現できることが明らかになった。

本発明者は、以上のような性能試験を行い、超格子構造層と発光層の間に電子注入制御層を設けることにより温度特性と発光効率を同時に向上できる素子構造を見出した。かかる素子構造においては、図３に示すように電子注入制御層の第１の制御層１５Ｂのバンドギャップを、超格子構造層１３の最終の障壁層１３Ｂのバンドギャップより小さくすることと、第２の制御層１５Ｗが発光層の量子井戸層１７Ｗと同一の組成及び同一の層厚を有するか、或いは、量子井戸層１７Ｗよりバンドギャップの小なる組成を有することにより、キャリアを誘導する効果が現れ、発光層１７の全体へキャリア注入効率を高めることを知見した。

本発明者は、さらに実験を行ったところ、電子注入制御層において新たな課題と知見を得た。つまり、キャリア誘導効果を高めるには電子注入制御層の第１の制御層１５Ｂのバンドギャップを小さくする（例えばＩｎ組成を上げる）必要があるが、単純にＩｎ組成を上げることは結晶性の低下を引き起こすおそれがある。また、第１の制御層１５ＢのＩｎ組成を上げるほど、格子歪が大きくなり、その上に成長する発光層１７の結晶性も低下し、一概に発光効率の向上効果が低減してしまうことも知見した。

以上の新たな課題及び知見から考えられることは、発光効率向上のためにはキャリア誘導層としての機能を有する電子注入制御層の第１の制御層１５Ｂの結晶性劣化を抑え、且つ、発光層への歪の影響を小さくした上でバンドギャップをより小さくし、電子注入制御層のキャリア誘導層としての機能を高めることである。

本発明者は、以上の観点から、電子注入制御層の改良を試み、その結晶性劣化を抑えて発光効率を向上させる構造として電子注入制御層の第１の制御層１５Ｂに制御障壁層を備えた発光素子構造を見出した。

図５〜図７を参照して、電子注入制御層の第１の制御層１５Ｂに制御障壁層を備えた発光素子の実施例について説明する。なお、本実施例において、上記図１、図２及び図３の発光素子と実質的に同一又は等価な構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略して、異なる構成要素について主に説明する。

図５は、本発明による実施例１の発光素子における半導体構造層１０の構成（図１）の一部を模式的に示す断面図である。図６は図５の半導体構造層１０の構成の一部のバンド構造を模式的に示すバンドダイアグラムである。図７は、本発明による実施例１〜３及び比較例の発光素子における半導体構造層の電子注入制御層の部分を模式的に示すバンドダイアグラムである。

図５及び図６に示すように、実施例１の発光素子において、電子注入制御層１５の第１の制御層１５Ｂは、組成の異なる複数の層（量子井戸構造層）を有している。ここでバンドギャップの小なる組成の層を制御井戸層と称し、バンドギャップの大なる組成の層を制御障壁層と称する。

具体的に、第１制御井戸層１５Ｂ１は、超格子構造層の最終の第２の半導体層１３Ｂ（障壁層）に接している。第２制御井戸層１５Ｂ２は、第２の制御層１５Ｗに接している。制御障壁層１５ＢＲは、第１制御井戸層１５Ｂ１と第２制御井戸層１５Ｂ２との間に挟まれている。第１の制御層１５Ｂは、全て等しい厚さの第１制御井戸層１５Ｂ１、制御障壁層１５ＢＲ及び第２制御井戸層１５Ｂ２で構成されている。

図６に示すように、第１制御井戸層１５Ｂ１は、超格子構造層の第１の半導体層１３Ｗよりバンドギャップが小さく且つ第２の制御層１５Ｗよりバンドギャップの大なる組成（バンドギャップ：Ｅｃｂ（Ｅｓｗ＞Ｅｃｂ＞Ｅｃｗ））、例えばＩｎＧａＮ系素子であればＩｎ組成）を有している。

第２制御井戸層１５Ｂ２は、超格子構造層の第１の半導体層１３Ｗよりバンドギャップが小さく且つ第２の制御層１５Ｗよりバンドギャップの大なる組成（バンドギャップ：Ｅｃｂ（Ｅｓｗ＞Ｅｃｂ＞Ｅｃｗ））、例えばＩｎＧａＮ系素子であればＩｎ組成）を有している。なお、第１制御井戸層１５Ｂ１及び第２制御井戸層１５Ｂ２は、互いに組成（バンドギャップ）が同一でもよく、或いは異なっていてもよい。

制御障壁層１５ＢＲは、第１制御井戸層１５Ｂ１及び第２制御井戸層１５Ｂ２よりバンドギャップの大なる組成（バンドギャップ：Ｅｃｌ（＞Ｅｃｂ）、例えばＩｎＧａＮ系素子であればＩｎ組成）を有している。制御障壁層１５ＢＲは、キャリア誘導効果を考えれば、超格子構造層１３の第１の半導体層１３Ｗ（井戸層）よりバンドギャップの大なる組成（バンドギャップ：Ｅｃｌ（＞Ｅｓｗ）を有することが好ましく、より好ましくは超格子構造層１３全体のバンドギャップの平均値より大なるバンドギャップの組成を有することが好適である。さらに、制御障壁層１５ＢＲは、キャリア誘導効果を考えれば、超格子構造層１３の第２の半導体層１３Ｂ（障壁層）のバンドギャップ以下のバンドギャップ（バンドギャップ：Ｅｃｌ（≦Ｅｓｂ））を有することが好ましい。さらにまた、制御障壁層１５ＢＲは、キャリア誘導効果を考えれば、発光層１７の障壁層１７Ｂのバンドギャップ以下のバンドギャップ（バンドギャップ：Ｅｃｌ（≦Ｅａｂ１，Ｅａｂ２））を有することが好ましい。

障壁層としての制御障壁層１５ＢＲは、図６に示す超格子構造層１３の最終の障壁層１３Ｂからのキャリア（電子）が第１制御井戸層１５Ｂ１及び第２制御井戸層１５Ｂ２と順次誘導される際に、キャリアの一部を第１制御井戸層１５Ｂ１及び第２制御井戸層１５Ｂ２で留めて、過剰なキャリアが一度に第２の制御層１５Ｗに誘導されることを抑える機能を有する。

図５及び図６に示すように、発光層１７の障壁層１７Ｂは、第１障壁層１７Ｂ１（Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ）と第２障壁層１７Ｂ２（ＧａＮ）との２層構造で構成されている。第２障壁層１７Ｂ２は第１障壁層１７Ｂ１よりバンドギャップの大なるＩｎ組成を有している。第１障壁層１７Ｂ１がｎ側に形成されている２層構造障壁層（Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ／ＧａＮ）とすることで、障壁層の結晶性を保持したままＩｎ組成を上げることが可能となる。これにより、発光層１７の障壁層が有するキャリア誘導効果を更に向上させることができる。よって、発光層の障壁層の２層構造は、電子注入制御層の第１の制御層（制御障壁層１５ＢＲ）の効果と相まって発光層１７全体の歪を抑えることができ、素子の発光効率を高める。

［第１の制御層１５Ｂの多層化］
電子注入制御層１５の第１の制御層１５Ｂは、第１の制御層１５Ｂの第１及び第２制御井戸層１５Ｂ１，１５Ｂ２の間において、制御障壁層１５ＢＲと対をなす第３制御井戸層１５Ｂ３を設けて更なる多層構造とすることができる。

図７（ａ），（ｂ）は、超格子構造層の第２の半導体層１３Ｂ（最終の障壁層）、電子注入制御層１５及び発光層の障壁層１７Ｂのバンドダイアグラムを模式的に示している。ただし、見やすさのために伝導帯ＣＢのみを示している。

例えば、第１の制御層１５Ｂは、図７（ａ）に示すように、第１制御井戸層１５Ｂ１、制御障壁層１５ＢＲ、第３制御井戸層１５Ｂ３及び第２制御井戸層１５Ｂ２を全て等しい厚さにして合計５層で構成できる。さらに、図７（ｂ）に示すように、第１制御井戸層１５Ｂ１、制御障壁層１５ＢＲ、第３制御井戸層１５Ｂ３、制御障壁層１５ＢＲ、第３制御井戸層１５Ｂ３及び第２制御井戸層１５Ｂ２を全て等しい厚さにして合計７層で構成できる。第３制御井戸層１５Ｂ３は、第１及び第２制御井戸層１５Ｂ１，１５Ｂ２と同様に、超格子構造層の第１の半導体層１３Ｗよりバンドギャップが小さく且つ第２の制御層１５Ｗよりバンドギャップの大なる組成（例えばＩｎＧａＮ系素子であればＩｎ組成）を有している。

かかる積層構造において制御障壁層１５ＢＲと第１、第２及び３制御井戸層１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３の１層あたりの膜厚を薄くすることによって、第１の制御層１５Ｂのバンドギャップが平均して小さくなり、より効果的にキャリアを発光層１７に誘導することが可能となる。また、第１の制御層１５Ｂの多層化に伴い、電子注入制御層に接触する発光層１７の歪緩和の効果が得られる。かかるキャリア誘導機能と歪緩和との複合効果により、素子の発光効率が向上する。

電子注入制御層１５のキャリア誘導層としての機能に関して、上記の歪緩和の効果としての側面を考慮すると、ＩｎＧａＮ系素子である場合、第１制御井戸層１５Ｂ１及び第２制御井戸層１５Ｂ２のＩｎ組成はｎ型半導体層１１からｐ型半導体層１９に向かい、Ｉｎ組成が大きくなるほうが良い。つまり、超格子構造層１３の第１の半導体層１３Ｗ（Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ）と第１及び第２制御井戸層１５Ｂ１，１５Ｂ２（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ）と第２の制御層１５Ｗ（Ｉｎ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ₂）のＩｎ組成の関係は、ｘ＜ｙ１＜ｙ２であることが好ましい。この関係を満たすように構成することにより、発光層１７に向かい徐々に格子不整合差が小さくなっていき、歪による悪影響が抑えられる。また、第２の制御層１５ＷのＩｎ組成より、第１制御井戸層１５Ｂ１及び第２制御井戸層１５Ｂ２のＩｎ組成を低くすることで、所望する発光波長がずれることも回避される。

［制御障壁層を備えた電子注入制御層を有する素子の性能試験］
次に、実施例１〜３の具体例について説明する。上記［電子注入制御層を有する素子の性能試験］と同様に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ系半導体構造層を成長して、ＬＥＤ素子のサンプルを複数個製作して、その発光特性について評価を行った。

下記表２に、製作した実施例１のＬＥＤの半導体構造層の材料と膜厚を示す。

実施例１のＬＥＤの半導体構造層は、上記［電子注入制御層を有する素子の性能試験］のＬＥＤのものと、電子注入制御層の第１の制御層１５Ｂ及び発光層の障壁層１７Ｂ以外、同一に構成した。

実施例１の発光層１７については、障壁層１７Ｂ（Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ／ＧａＮ）及び井戸層１７Ｗ（Ｉｎ_z2Ｇａ_1-z2Ｎ）のペアを９周期分繰り返して形成した。これら層のＩｎ組成は０≦ｗ＜ｚ２＜１の関係であった。各障壁層１７Ｂについては、第１障壁層１７Ｂ１をｎ側に形成した。第１障壁層１７Ｂ１のＩｎ組成は０≦ｗ＜０．０５の関係であった。

さらに、電子注入制御層１５の第１の制御層１５Ｂにおける制御障壁層（１５ＢＲ）及び制御井戸層（１５Ｂ１、１５Ｂ２、１５Ｂ３）の積層数と各層の厚みを変化させた以外、他の結晶層構成を実施例１と同一にしたＬＥＤの実施例２及び実施例３並びに比較例を作製した。

下記表３に、製作した実施例２及び実施例３並びに比較例の第１の制御層１５Ｂの積層数と各層の膜厚の関係を示す。

［評価結果］
作製した実施例１〜３と比較例のＬＥＤ素子の光出力の評価を行った。具体的には、ＬＥＤ素子に一定電流を流した時の輝度（光出力）を比較することによって特性評価を行った。

いずれのＬＥＤ素子においても、第１の制御層１５Ｂの合計層厚Ｌｃｂを６ｎｍとし、単層並びに第１制御井戸層１５Ｂ１、第２制御井戸層１５Ｂ２及び第３制御井戸層１５Ｂ３（Ｉｎ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ層）のＩｎ組成（ｙ１）を全て等しくして該Ｉｎ組成（ｙ１）が１０〜３０％となるような範囲で変化させた。

図８は、実施例１〜３と比較例のＬＥＤ素子の場合の光出力をプロットしたグラフである。図８から明らかなように、作成した素子の全体的な傾向として、比較例の第１の制御層の積層数が単層（緩和層無し）である素子の場合、Ｉｎ組成が１０％程度までの範囲では光出力の増加効果が確認できるが、その範囲を超えると光出力が飽和する傾向が分かる。

一方、実施例１〜３の第１の制御層の積層数が３、５、７（緩和層の数１、２、３）である素子の場合、Ｉｎ組成が１０％程度を超える範囲でも光出力の増加の効果が確認できる。また、第１の制御層１５Ｂにおける制御障壁層（障壁層）及び制御井戸層（１５ＢＲ、１５Ｂ１、１５Ｂ２、１５Ｂ３）の積層数が増加するにつれてＩｎ組成も増加する傾向が確認できる。

図９は、実施例１〜３及び比較例の作成した素子における第１の制御層の積層数に対応する光出力をプロットしたグラフである。図９を参照すると、第１の制御層１５Ｂの合計層厚を一定（６ｎｍ）とする場合、第１の制御層の積層数が３、５、７（緩和層１、２、３）である実施例１〜３の素子が高い発光効率を維持することが確認できる。

以上説明したように、超格子構造層の障壁層上に形成された電子注入制御層の第１の制御層内に少なくとも１つの制御障壁層を包含する積層構造とすることによって、高温動作時においてもキャリアオーバーフローが抑制され、発光効率及び発光出力の低下の少ない半導体発光素子が得られることが明らかになった。

なお、上記ではＬＥＤを例に説明したが、他の半導体発光素子にも適用が可能である。すなわち、多重量子井戸構造からなる発光層を有するように構成された発光素子にも適用が可能である。また、半導体構造層１０がＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる場合について説明したが、結晶系はこれに限定されない。また、上記した実施例における、数値や材料、例えば、半導体層の組成や層厚、発光層の量子井戸層数、発光波長、導電体及び金属層の材料、層厚等は例示に過ぎず、適宜改変することができる。また、上記した実施例を適宜、改変及び組合せてもよい。

１０ 半導体構造層
１１ ｎ型半導体層
１３ 超格子構造層
１３Ｗ 第１の半導体層（井戸層）
１３Ｂ 第２の半導体層（障壁層）
１５ 電子注入制御層
１５Ｂ 第１の制御層
１５Ｂ１ 第１制御井戸層
１５ＢＲ 制御障壁層
１５Ｂ２ 第２制御井戸層
１５Ｗ 第２の制御層
１７ 発光層
１７Ｂ 障壁層
１７Ｗ 井戸層
１９ ｐ型半導体層

Claims (6)

1. ｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層上に形成され、第１の半導体層及び前記第１の半導体層よりもバンドギャップの大なる組成の第２の半導体層が繰り返し形成された超格子構造層と、
   前記超格子構造層の前記第２の半導体層上に形成された第１の制御層と前記第１の制御層上に形成された第２の制御層とからなる電子注入制御層と、
   前記第２の制御層上に形成された、障壁層及び量子井戸層が繰り返し形成された発光層と、を有し、
   前記第２の制御層は、前記発光層の前記量子井戸層と同一の組成及び同一の層厚を有するか、又は前記発光層の前記量子井戸層よりもバンドギャップの小なる組成を有し、
   前記第１の制御層は、前記超格子構造層の前記第２の半導体層に接し且つ前記超格子構造層の前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく且つ前記第２の制御層よりもバンドギャップの大なる組成を有する第１制御井戸層と、前記第２の制御層に接し且つ前記超格子構造層の前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく且つ前記第２の制御層よりもバンドギャップの大なる組成を有する第２制御井戸層と、を有し、
   前記第１の制御層は、前記第１制御井戸層及び前記第２制御井戸層の間に、前記第１制御井戸層及び前記第２制御井戸層よりもバンドギャップの大なる組成を有する少なくとも１つの制御障壁層を有する、半導体発光素子。
2. 前記ｎ型半導体層と前記超格子構造層と前記電子注入制御層と前記発光層とはＧａＮ系半導体からなる請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第１の制御層の前記制御障壁層は、前記超格子構造層の前記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きく且つ前記超格子構造層の前記第２の半導体層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有するＩｎＧａＮ系半導体からなる請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１の制御層の前記制御障壁層は、前記発光層の前記障壁層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有するＩｎＧａＮ系半導体からなる請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１の制御層は前記第１制御井戸層と前記第２制御井戸層との間に設けられた前記制御障壁層に接する第３制御井戸層を有し、前記第３制御井戸層は前記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さく且つ前記第２の制御層よりもバンドギャップの大なるＩｎＧａＮ系半導体からなる請求項２ないし４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記発光層の前記障壁層は、第１障壁層と第２障壁層とを積層した２層構造を有し、前記第２障壁層は前記第１障壁層よりもバンドギャップの大なるＩｎＧａＮ系半導体からなる請求項２ないし５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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