JP2017195213A

JP2017195213A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2017195213A
Application number: JP2016082604A
Authority: JP
Inventors: 崇子藤原; Takako Fujiwara
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: JP6885675B2

Abstract

【課題】広範囲に亘る発光波長帯域（スペクトル幅）を有する高い演色性かつ高い発光強度の半導体発光素子を提供する。【解決手段】第１の導電型を有する第１の半導体層１２と、第１の半導体層上に形成され、第１の半導体層から応力歪を受ける組成を有してランダムな網目状に区画された複数のベースセグメントを有するベース層１３と、複数のベースセグメントのセグメント形状を残存しつつベース層上に形成され、少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び少なくとも１つの障壁層ＢＡを含む活性層１４と、アンドープ層であるか又は第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する層であり、セグメント形状の活性層を埋め込んで平坦化された平坦面を有する埋込層１５と、埋込層上に形成され、埋込層よりも大きなドーパント濃度を有する第２の導電型の第２の半導体層１６と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子に関する。

半導体発光素子は、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層からなる半導体構造層を成長し、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層に電圧を印加するｎ電極及びｐ電極を形成して作製される。

特許文献１には、基板上に積層され、基板に対する傾斜角が滑らかに変化する部分を含んだ表面を持つ活性層を有する半導体発光素子及びその製造方法が開示されている。また、非特許文献１には、高インジウム組成を有しかつナノ構造（nanostructure）を有するＩｎＧａＮ層上に、他のＩｎＧａＮ層を積層した多重量子井戸構造の活性層を有する発光ダイオードが開示されている。

特許第4984119号公報

Applied Physics Letters 92, 261909 (2008)

半導体発光素子は、電極から素子内に注入された電子と正孔（ホール）とが活性層において再結合することによって発光する。活性層から放出される光の波長（すなわち発光色）は、活性層を構成する半導体材料のバンドギャップによって決まる。例えば、窒化物系半導体を用いた発光素子の場合、その活性層からは青色の光が放出される。

一方、例えば照明用途など、光源に演色性が求められる場合がある。高い演色性を有する光源は自然光に近い光を発する光源である。高い演色性を得るためには、光源から可視域のほぼ全域の波長を有する光が取出されることが好ましい。例えば、演色性の高い光源から取出された光は白色光として観察される。

これに対し、上記特許文献に記載されるように、半導体発光素子を用いて白色光を得る様々な手法が提案されている。例えば異なる組成を有する複数の活性層を積層することで、蛍光体を用いずに発光波長の広帯域化を図る手法が提案されている。

しかし、これらの手法によって発光装置を作製する場合、各発光色の均一化や製造工程の複雑化、発光強度の点で課題があった。その一例としては、半導体層の形成工程及び接合工程の追加、半導体層の結晶性の劣化などが挙げられる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、広範囲に亘る発光波長帯域（スペクトル幅）を有する高い演色性かつ高い発光強度の半導体発光素子を提供することを目的としている。

本発明による半導体発光素子は、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成され、第１の半導体層から応力歪を受ける組成を有してランダムな網目状に区画された複数のベースセグメントを有するベース層と、複数のベースセグメントのセグメント形状を残存しつつベース層上に形成され、少なくとも１つの量子井戸層及び少なくとも１つの障壁層を含む活性層と、アンドープ層であるか又は第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する層であり、セグメント形状の活性層を埋め込んで平坦化された平坦面を有する埋込層と、埋込層上に形成され、埋込層よりも大きなドーパント濃度を有する第２の導電型の第２の半導体層と、を有することを特徴としている。

（ａ）は実施例１に係る半導体発光素子の構造を示す断面図であり、（ｂ）は実施例１に係る半導体発光素子におけるベース層の上面を模式的に示す図である。（ａ）は実施例１に係る半導体発光素子における半導体構造層の層構造を示す断面図であり、（ｂ）は実施例１に係る半導体発光素子における端部障壁層、埋込層及びｐ型半導体層の構成例を示す図である。（ａ）は実施例１の変形例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。実施例２に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。実施例３に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。本明細書においては、同一の構成要素に同一の参照符号を付している。

図１（ａ）は、実施例１の半導体発光素子（以下、単に発光素子又は素子と称する場合がある）１０の構造を示す断面図である。半導体発光素子１０は、搭載基板（以下、単に基板と称する場合がある）１１上に半導体構造層ＳＳが形成された構造を有している。本実施例においては、半導体構造層ＳＳは、搭載基板１１上に、ｎ型半導体層（第１の半導体層）１２、ベース層１３、活性層１４、埋込層１５及びｐ型半導体層（第２の半導体層、第１の半導体層１２とは反対の導電型を有する半導体層）１６がこの順で順次成長された構造を有する。

本実施例においては、搭載基板１１は、例えば半導体構造層ＳＳの成長に用いる成長用基板であり、例えばサファイアからなる。また、半導体構造層ＳＳは、窒化物系半導体からなる。半導体発光素子１０は、例えば、サファイア基板のＣ面を結晶成長面とし、当該Ｃ面上に有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ法）を用いて半導体構造層ＳＳを成長することによって、作製することができる。本実施例においては、半導体構造層ＳＳは、窒化物系半導体からなる。

なお、本実施例においては、発光素子１０が搭載基板１１としての成長用基板上に半導体構造層ＳＳが形成された構造を有する場合について説明するが、搭載基板１１は成長用基板である場合に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子１０は、成長用基板上に半導体構造層ＳＳを成長した後、半導体構造層ＳＳを他の基板（支持基板）に貼り合わせ、成長用基板を除去した構造を有していてもよい。この場合、当該貼り合わせた他の基板はｐ型半導体層１５上に設けられる。当該貼り合わせ用の基板としては、例えばＳｉ、ＡｌＮ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷなどの放熱性の高い材料を用いることができる。

ｎ型半導体層１２は、例えば、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）を含むＧａＮ層からなる。なお、ｎ型半導体層１２は、ドーパント濃度の異なる複数のｎ型半導体層を有していてもよい。また搭載基板１１とｎ型半導体層１２との間にアンドープのバッファ層を有していてもよい。

ベース層１３は、ｎ型半導体層１２上に形成され、ｎ型半導体層１２から応力歪を受ける組成を有している。また、ベース層１３は、ｎ型半導体層１２から応力を受けてランダムな網目状に形成された溝（第１の溝）ＧＲ１を有している。

ここで、図１（ｂ）を参照して、ベース層１３について説明する。図１（ｂ）は、ベース層１３の上面を模式的に示す図である。また、ベース層１３は、溝ＧＲ１によって区画され、かつランダムなサイズで形成された多数の微細なベースセグメントＢＳを有している。ベースセグメントＢＳの各々は、ベース層１３がｎ型半導体層１２から応力歪を受けることによって、ベース層１３の表面においてランダムな網目状に区画されている。なお、図の明確さのため、図１（ｂ）においては、一部のベースセグメントＢＳにハッチングを施している。

溝ＧＲ１は、互いにランダムにかつ異なる長さ及び形状の溝部から構成されている。溝ＧＲ１は、ベースセグメントＢＳを区画するように網目状に形成されている。溝ＧＲ１は、ベース層１３の表面において網目状（メッシュ状）に張り巡らされるように形成されている。ベースセグメントＢＳの各々は、この溝ＧＲ１によってベース層ＢＬ内にランダムに区画形成された部分（セグメント）である。なお、ベースセグメントＢＳの各々は、略円形や略楕円形、多角形状など、様々な上面形状を有している。

再度図１（ａ）を参照すると、溝ＧＲ１は、例えばＶ字形状を有し、ライン状の底部ＢＰを有している。本実施例においては、ベースセグメントＢＳの各々は、溝ＧＲ１における底部ＢＰをその端部とする。ベースセグメントＢＳの各々は、底部ＢＰにおいて他のベースセグメントＢＳに隣接している。

また、ベース層１３は、ベースセグメントＢＳの各々に対応する平坦部（第１の平坦部）ＦＬ１を有している。ベース層１３の表面は、平坦部ＦＬ１と溝ＧＲ１の内壁面とによって構成されている。平坦部ＦＬ１の各々は、溝ＧＲ１によってベースセグメントＢＳ毎に区画されている。ベースセグメントＢＳは、平坦部ＦＬ１からなる上面と溝ＧＲ１の内壁面からなる側面とを有している。

すなわち、平坦部ＦＬ１はベースセグメントＢＳの各々における上面を構成し、溝ＧＲ１の内壁面はベースセグメントＢＳの側面を構成する。従って、ベースセグメントＢＳの各々は、傾斜した側面を有し、またその断面において例えば略台形の形状を有している。

なお、図１（ｂ）は、ベース層１３及びベースセグメントＢＳを模式的に例示するに過ぎない。例えば、ベース層ＢＬ１３は、図１（ｂ）に示すように、上面（ベース層１３に垂直な方向）から視たときに直線的な溝ＧＲ１によって区画されている必要はなく、曲線的な溝によって区画されていてもよい。また、以下においては、ベース層１３が平坦部ＦＬ１び溝ＧＲ１からなる場合について説明するが、ベース層１３の表面形状はこの場合に限定されない。例えば、ベースセグメントＢＳの上面が曲面形状を有していてもよい。

さらに、ベース層１３の表面に完全にベースセグメントＢＳが区画形成されている必要はない。例えば、溝ＧＲ１は、完全な網目形状を有する必要はなく、部分的に途切れていてもよい。ベース層１３がランダムな網目状に区画されたベースセグメントＢＳを有するとは、ベース層１３が上記したような溝形状、区画形状、あるいは上面形状を有することをいう。

活性層１４は、ベース層１３上に形成された量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡを有する。また、図１（ａ）に示すように、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡは、ベース層１３のセグメント形状を残存しつつベース層１３上に形成されている。すなわち、活性層１４は、ベース層１３のセグメント形状を維持した上面形状を有する。

より具体的には、量子井戸層ＷＡは、ベース層１３の溝ＧＲ１に対応する溝（第２の溝）ＧＲ２を有する。また、量子井戸層ＷＡは、ベース層１３の平坦部ＦＬ１の各々に対応する平坦部（第２の平坦部）ＦＬ２を有する。また、障壁層ＢＡは、量子井戸層ＷＡの溝ＧＲ２に対応する溝（第３の溝）ＧＲ３と、量子井戸層ＷＡの平坦部ＦＬ２の各々に対応する平坦部（第３の平坦部）ＦＬ３とを有する。

埋込層１５は、ベース層１３及び活性層１４の当該セグメント形状（溝ＧＲ３）を埋め込んで障壁層ＢＡ上に形成されている。具体的には、埋込層１５は、障壁層ＢＡ（活性層１４）との界面（下面）においては溝ＧＲ３に対応する凹凸形状を有する一方で、上面においては平坦形状を有している。従って、埋込層１５は、図１（ａ）に示すように、セグメント形状の活性層１４を埋め込んで平坦化された平坦面ＦＳを有している。

ｐ型半導体層１６は、ｐ型ドーパント（例えばＭｇ又はＺｎ）を有する第１及び第２のｐ型層１６Ａ及び１６Ｂを含む。本実施例においては、第１のｐ型層１６Ａは埋込層１５上に形成され、第２のｐ型層１６Ｂは第１のｐ型層１６Ａ上に形成されている。また、本実施例においては、第１のｐ型層１６Ａは、電子ブロック層として機能する。

図２（ａ）は、図１（ａ）の破線で囲まれた部分を拡大して示す部分拡大断面図である。まず、図２（ａ）を用いて、半導体構造層ＳＳについて詳細に説明する。

本実施例においては、ｎ型半導体層１２はＧａＮの組成を有する。ベース層１３は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有する。活性層１４の量子井戸層ＷＡは、ＩｎＧａＮの組成を有する。障壁層ＢＡは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）の組成を有する。埋込層１５は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）の組成を有する。第１のｐ型層１６Ａは、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０≦ｚ≦１）の組成を有する。また、第２のｐ型層１６Ｂは、ＧａＮの組成を有する。

ここで、ベース層１３及び活性層１４について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ベース層１３は、例えば、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮの組成を有している。ベース層１３におけるベースセグメントＢＳは、ベース層１３としてのＡｌＧａＮ層又はＡｌＮ層を、比較的低温でｎ型半導体層１２としてのＧａＮ層上に成長することで形成することができる。

まず、ｎ型半導体層１２上に、これとは異なる結晶組成のベース層１３を成長した場合、ベース層１３には応力（歪）が生ずる。例えば、ベース層１３は、ｎ型半導体層１２よりも小さな格子定数を有する。例えばｎ型半導体層１２としてのＧａＮ層にベース層１３としてＡｌＮ層を成長する場合、ＡｌＮ層にはＧａＮ層によって伸張歪が生ずる。従って、ＡｌＮ層にはその成長時に引張応力が生ずる。従って、ＡｌＮ層の成長開始時又は成長途中でＡｌＮ層に溝が生じ、これ以降は、ＡｌＮ層は３次元的に成長する。すなわち、ＡｌＮ層は立体的に成長し、複数の微細な凹凸が形成される。この溝の形成開始点が溝ＧＲ１の底部ＢＰとなる。

さらに、ＧａＮ層上に低温でＡｌＮ層を成長する場合、ＡｌＮ層における３次元的な成長が促進される。従って、ＡｌＮ層の表面に無数の溝が互いに結合しながら形成され（溝ＧＲ１）、これによってＡｌＮ層の表面が粒状の複数のセグメントに区画されていく。このようにしてベースセグメントＢＳを有するベース層１３を形成することができる。なお、本実施例においては、約７８０℃の成長温度でベース層１３としてのＡｌＮ層を形成した。

このベース層１３上に量子井戸層ＷＡとしてのＩｎＧａＮ層を形成すると、量子井戸層ＷＡは歪み量子井戸層として形成される。また、量子井戸層ＷＡ内におけるＩｎの含有量に分布が生ずる。すなわち、量子井戸層ＷＡのうち、例えば平坦部ＦＬ１上の領域と溝ＧＲ１上の領域とでＩｎ組成が異なるように形成される。また、ベースセグメントＢＳの上面上と側面上とでは量子井戸層ＷＡの層厚が異なる。従って、量子井戸層ＷＡの層内においてはバンドギャップが一定ではない。このようにして微細な島状の凹凸を有する活性層１４からは、様々な色の光が放出されることとなる。

また、ベース層１３であるＡｌＮ層上に量子井戸層ＷＡであるＩｎＧａＮ層を形成する場合、ＩｎＧａＮ層はＡｌＮ層によって圧縮歪を受ける。ＩｎＧａＮ層が圧縮歪を受けると、ＩｎＧａＮ層内にＩｎが取り込まれ易くなる。これによって、ＩｎＧａＮ層におけるバンドギャップ、すなわち量子準位間のエネルギーは小さくなる。量子井戸層ＷＡからは、より長波長側の発光波長を有する光が放出される。

また、本実施例においては、量子井戸層ＷＡ上に形成された障壁層ＢＡは量子井戸層ＷＡの上面形状を引き継いで形成され、活性層１４の表面には溝ＧＲ３が残存することとなる。

次に、埋込層１５について説明する。埋込層１５は、活性層１４よりも高い結晶性を有する。例えば、埋込層１５は、障壁層ＢＡ以下のＡｌ組成を有する（ｙ≦ｘの関係を満たす）。また、埋込層１５は、障壁層よりも大きな格子定数を有する。この高結晶性層としての埋込層１５を活性層１４上に形成することで、活性層１４からの発光スペクトルの広帯域化と発光強度の向上との両立を図ることができる。

より具体的には、上記したように、ベース層１３を有することで活性層１４からは広いスペクトル帯域を有する放出光を得ることができる。しかし、その一方で、活性層１４（特に量子井戸層ＷＡ）の結晶性が悪化し、活性層１４での電子及び正孔の再結合確率、特にｐ型半導体層１６からの正孔の注入効率が低下することが懸念される。従って、発光強度が低下することが懸念される。

具体的には、電流は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１６間において比較的（例えば平坦部ＦＬ２又はＦＬ３よりも）層厚の小さい領域である溝ＧＲ３の領域に集中して流れる。また、溝ＧＲ３の領域は平坦部ＦＬ２又は３よりも結晶性の低い部分であり、溝ＧＲ３の領域に注入された電流は発光に寄与しない可能性が高い。すなわち、多くのキャリアが発光を行わずに失われる可能性がある。

これに対し、本実施例においては、活性層１４とｐ型半導体層１６との間に高い結晶性を有する埋込層１５が設けられている。埋込層１５は、活性層１４の表面に形成された溝ＧＲ３を埋め込んで、埋込層１５内で結晶性を向上（改善）させる。また、埋込層１５は、ｐ型半導体層１６に溝ＧＲ３が引き継がれることを抑制する。これによって、結晶性の高いｐ型半導体層１６を成長させることができ、発光効率の低下を抑制することができる。

なお、発明者は、埋込層１５を形成することで、活性層１４の表面の平坦性を、埋込層１５の表面で約２０％向上させることができたことを確認している。また、発明者は、埋込層１５を設けない場合の素子を比較例として作製し、半導体発光素子１０との比較を行った。そして、半導体発光素子１０が比較例の素子に対して約２５％出力が向上していることを確認している。

上記したように、本実施例においては、半導体発光素子１０は、ベース層１３及び活性層１４と、活性層１４上に、ベース層１３（活性層１４）のセグメント形状を埋め込んで平坦化された平坦面ＦＳを有する埋込層１５とを有する。従って、まず、ベース層１３（ベースセグメントＢＳ）によって活性層１４からの放出光のスペクトルを広帯域化することができる。また、埋込層１５を設けることで、発光効率が向上する。従って、例えば蛍光体などの追加の部材を必要とすることなく、単純な構成で高演色かつ高出力な半導体発光素子１０を得ることができる。

なお、埋込層１５は、その表面が完全に平坦化されている必要はない。すなわち、埋込層１５は、ベース層１３に設けられた複数のベースセグメントＢＳのうち、一部のベースセグメントＢＳを埋め込んで平坦化された平坦面ＦＳを有していればよい。また、埋込層１５の上面においては、溝ＧＲ３の一部を埋め込むことで溝ＧＲ３が断裂するように残存していてもよい。換言すれば、埋込層１５の表面においては、ベース層１３によるセグメント形状の少なくとも一部が埋設されて消失していればよい。

また、埋込層１５におけるベースセグメントＢＳのセグメント形状の埋設の程度は、求められる演色性及び輝度に応じて適宜調節することができる。本実施例においては、ベースセグメントＢＳが多く埋め込まれるほど、発光効率が向上する一方で、スペクトルが短波長側にシフトする。

次に、図２（ａ）及び（ｂ）を用いて、活性層１４、埋込層１５及びｐ型半導体層１６のより好ましい詳細構成について説明する。図２（ｂ）は、半導体発光素子１０における活性層１４、埋込層１５及びｐ型半導体層１６のｐ型ドーパントのドーパント濃度及び組成例を示す図である。

まず、ｐ型半導体層１６は、埋込層１５との界面に第１のｐ型層１６Ａを有する。第１のｐ型層１６Ａは、埋込層１５よりも大きなバンドギャップを有する。例えば、第１のｐ型層１６Ａは、埋込層１５よりも大きなＡｌ組成を有する。具体的には、埋込層１５としてのＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）層及び第１のｐ型層１６ＡとしてのＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０≦ｚ≦１）において、組成ｙ及びｚは、ｙ＜ｚの関係を満たす。これによって、第１のｐ型層１６Ａは電子ブロック層として機能する。

なお、第２のｐ型層１６Ｂは、例えばＧａＮの組成を有し、ｎ型半導体層１２と共にクラッド層として機能する。

次に、図２（ｂ）を用いて、各層の組成例及びドーパント濃度の関係について説明する。例えば、活性層１４の障壁層ＢＡは、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有する（０＜ｘ≦１）。埋込層１５は、例えばＧａＮの組成を有する（ｙ＝０）。また、第１のｐ型層１６Ａは、例えばＡｌＧａＮの組成を有する（ｚ＞０）。

まず、埋込層１５は、アンドープ層であるか又はｐ型の導電型を有する層である。また、ｐ型半導体層１６は、埋込層１５よりも大きなドーパント濃度を有する層である。また、本実施例においては、障壁層ＢＡは、ｐ型の導電型を有する。これによって正孔の量子井戸層ＷＡの注入効率が向上する。また、本実施例においては、埋込層１５は、障壁層ＢＡよりも小さなドーパント濃度を有する層である。これによって、埋込層１５による結晶性の向上を図りつつ、量子井戸層ＷＡへの正孔の効率的な注入を行うことができる。なお、結晶性の向上を優先的に考慮すると、埋込層１５はアンドープ層であることが好ましい。

従って、これら３層におけるｐ型のドーパント濃度は、埋込層１５が最も小さく、障壁層ＢＡ及びｐ型半導体層１６の順で大きくなるように構成されている。このようにドーパント濃度を調節することで、埋込層１５の高い結晶性を確保しつつ高効率で正孔を量子井戸層ＷＡに注入することができる。従って、演色性及び発光効率はより向上する。

また、本実施例においては、ｐ型半導体層１６は、埋込層１５上に形成され、埋込層１５よりも大きなバンドギャップを有する第１のｐ型層１６Ａと、第１のｐ型層１６Ａ上に形成され、第１のｐ型層１６Ａよりも小さなバンドギャップを有する第２のｐ型層１６Ｂとを有する。また、本実施例においては、第１のｐ型層１６Ａは、障壁層ＢＡ及び埋込層１５よりも大きなドーパント濃度を有する。従って、第１のｐ型層１６Ａを電子ブロック層として機能させ、高効率で電流を量子井戸層ＷＡに供給することが可能となる。従って、半導体発光素子１０は、高演色かつ高出力な特性を有する光源として機能する。

なお、発明者らは、半導体発光素子１０として、障壁層ＢＡのＭｇのドーパント濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3とし、埋込層１５をアンドープ層とし、第１のｐ型層１６ＡのＭｇのドーパント濃度を２×１０¹⁹ｃｍ^-3とした半導体発光素子１０を作製した。そして、比較例として障壁層ＢＡをアンドープの障壁層に置き換えた発光素子を作製した。そして、両者の出力を比較し、半導体発光素子１０が約２０％高い出力を得たことを確認している。

［変形例］
図３は、実施例１の変形例に係る半導体発光素子１０Ａの構造を示す断面図である。半導体発光素子１０Ａは、活性層１４Ａの構成を除いては半導体発光素子１０と同様の構成を有する。本変形例においては、活性層１４Ａは、２つの量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡからなる多重量子井戸構造を有する。活性層１４Ａは、ベース層１３上に２つの量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡが交互に積層された構造を有する。

半導体発光素子１０においては活性層１４が１つの量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡからなる場合について説明した。しかし、発光効率の向上を考慮すると、半導体発光素子１０Ａのように、活性層１４Ａが複数の量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡを有していてもよい。例えば、量子井戸層ＷＡの各々はＩｎＧａＮの組成を有する。また、障壁層ＢＡの各々は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有する。

本変形例においては、埋込層１５は、活性層１４Ａの２つの障壁層ＢＡのうち、最もｐ型半導体層１６側の障壁層ＢＡ（Ｅ）上に形成されている。すなわち、活性層１４Ａは、複数の障壁層ＢＡのうち、埋込層１５に接する障壁層（以下、端部障壁層と称する）ＢＡ（Ｅ）を有する。また、本変形例においては、埋込層１５は、端部障壁層ＢＡ（Ｅ）以下のＡｌ組成ｙを有していればよい。また、障壁層ＢＡにドーピングを行う場合、端部障壁層ＢＡ（Ｅ）がｐ型ドーパントを含んでｐ型の導電型を有していればよい。また、端部障壁層ＢＡ（Ｅ）がｐ型の導電型を有する場合、埋込層１５及びｐ型半導体層１６のドーパント濃度の調節（図２（ｂ）に示すような関係）は、端部障壁層ＢＡ（Ｅ）に対して行えばよい。

換言すれば、本実施例及び変形例に示すように、活性層１４Ａは少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡを有する。また、少なくとも１つの障壁層ＢＡのうち、埋込層１５に接する端部障壁層ＢＡ（Ｅ）はｐ型の導電型を有し、埋込層１５は端部障壁層ＢＡ（Ｅ）よりも小さなドーパント濃度を有する層である。また、ｐ型半導体層１６（第１のｐ型層１６Ａ）は、端部障壁層ＢＡ（Ｅ）及び埋込層１５よりも大きなドーパント濃度を有する。従って、例えば蛍光体などの追加の部材を必要とすることなく、単純な構成で高演色かつ高出力な半導体発光素子１０及び１０Ａを得ることができる。

図４は、実施例２に係る半導体発光素子２０の構造を示す断面図である。半導体発光素子２０は、発光層２１をさらに有する点を除いては、半導体発光素子１０と同様の構成を有している。本実施例においては、半導体発光素子２０は、ｎ型半導体層１２とベース層１３との間に、量子井戸層ＷＢ及び障壁層ＢＢからなる量子井戸構造の発光層（第２の活性層）２１有する。

本実施例においては、実施例１における活性層１４よりもｎ型半導体層１２側に、第２の活性層として発光層２１が設けられている。例えば、図４に示すように、発光層２１は、２つの量子井戸層ＷＢと３つの障壁層ＢＢが交互に積層された構造を有する。量子井戸層ＷＢは、例えば、ＩｎＧａＮの組成を有する。また、障壁層ＢＢは、例えば、ＧａＮの組成を有する。量子井戸層ＷＢ及び障壁層ＢＢは、その各々が一様に平坦な層構造を有する。ベース層１３は、発光層２１の障壁層ＢＢ上に形成されている。

発光層２１は、活性層１４よりも短波長側に発光スペクトルのピークを有する。半導体発光素子２０は、活性層１４からの長波長側の発光スペクトルに発光層２１からの短波長側の発光スペクトルが付加されたスペクトル特性を示す。従って、高演色かつ高出力な半導体発光素子２０を得ることができる。なお、本実施例は、短波長側の発光強度を得たい場合に有効な構成である。

図５は、実施例３に係る半導体発光素子３０の構造を示す断面図である。半導体発光素子２０は、発光層３１をさらに有する点を除いては、半導体発光素子１０と同様の構成を有している。本実施例においては、半導体発光素子３０は、埋込層１５とｐ型半導体層１６との間に、量子井戸層ＷＢ及び障壁層ＢＢからなる量子井戸構造の発光層（第２の活性層）３１有する。

本実施例においては、実施例１における活性層１４よりもｐ型半導体層１６側に、第２の活性層として発光層３１が設けられている。例えば、図５に示すように、発光層３１は、埋込層１５上に、２つの量子井戸層ＷＢと３つの障壁層ＢＢが交互に積層された構造を有する。量子井戸層ＷＢは、例えば、ＩｎＧａＮの組成を有する。また、障壁層ＢＢは、例えば、ＧａＮの組成を有する。量子井戸層ＷＢ及び障壁層ＢＢは、その各々が一様に平坦な層構造を有する。ｐ型半導体層１６（第１のｐ型層１６Ａ）は、発光層３１の障壁層ＢＢ上に形成されている。

発光層３１は、活性層１４よりも短波長側に発光スペクトルのピークを有する。半導体発光素子３０は、活性層１４からの長波長側の発光スペクトルに発光層３１からの短波長側の発光スペクトルが付加されたスペクトル特性を示す。従って、高演色かつ高出力な半導体発光素子３０を得ることができる。本実施例は、発光層３１には活性層１４よりも高効率で正孔が注入される。従って、長波長側の発光強度よりも短波長側の発光強度を得たい場合に有効な構成である。

なお、本実施例においては、第１の導電型がｎ型の導電型であり、第２の導電型がｐ型である場合について説明したが、第１の導電型がｐ型であり、第２の導電型がｎ型であってもよい。また、実施例２及び３は互いに組み合わせることができる。

１０、１０Ａ、２０、３０半導体発光素子
１２ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３ベース層
１４活性層
２１、３１発光層
ＷＡ、ＷＢ量子井戸層
ＢＡ、ＢＢ障壁層
１５埋込層
１６ｐ型半導体層（第２の半導体層）
１６Ａ第１のｐ型層
１６Ｂ第２のｐ型層

Claims

第１の導電型を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層から応力歪を受ける組成を有してランダムな網目状に区画された複数のベースセグメントを有するベース層と、
前記複数のベースセグメントのセグメント形状を残存しつつ前記ベース層上に形成され、少なくとも１つの量子井戸層及び少なくとも１つの障壁層を含む活性層と、
アンドープ層であるか又は前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する層であり、前記セグメント形状の前記活性層を埋め込んで平坦化された平坦面を有する埋込層と、
前記埋込層上に形成され、前記埋込層よりも大きなドーパント濃度を有する前記第２の導電型の第２の半導体層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。
前記少なくとも１つの障壁層のうち、前記埋込層に接する障壁層は、前記第２の導電型を有する層であり、
前記埋込層は、前記埋込層に接する障壁層よりも小さなドーパント濃度を有する層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第２の半導体層はｐ型半導体層であり、
前記第２の半導体層は、前記埋込層上に形成され、前記埋込層よりも大きなバンドギャップを有する第１のｐ型層と、前記第１のｐ型層上に形成され、前記第１のｐ型層よりも小さなバンドギャップを有する第２のｐ型層とを含み、
前記第１のｐ型層は、前記埋込層に接する前記障壁層及び前記埋込層よりも大きなドーパント濃度を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記ベース層は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有し、
前記少なくとも１つの量子井戸層は、ＩｎＧａＮの組成を有し、
前記少なくとも１つの障壁層は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有し、
前記埋込層は、ＧａＮの組成を有し、
前記第１のｐ型層は、ＡｌＧａＮの組成を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
前記第１の半導体層と前記ベース層との間に、少なくとも１つの量子井戸層及び障壁層を含む発光層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記埋込層と前記第２の半導体層との間に、少なくとも１つの量子井戸層及び障壁層を含む発光層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。