JP5337862B2

JP5337862B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP5337862B2
Application number: JP2011276729A
Authority: JP
Inventors: 浩一橘; 肇名古; 年輝彦坂; 重哉木村; 真也布上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-02-16
Also published as: JP2012060172A

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を応用して、高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や青紫色〜青色・緑色レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が開発されている。

ＬＥＤの高効率化のためには、ＧａＮ系半導体の結晶性を高め、欠陥を減らして非発光再結合中心を減らし、結晶の内部量子効率を高めることが重要である。また、活性層で電子と正孔がいかに発光再結合できるかも重要である。電子は、活性層からオーバーフローしやすい傾向にある。一方、正孔は、ｐ型不純物の活性化率が低いため、キャリア密度が低くなりやすい傾向にある。

特許文献１には、活性層とｐ型クラッド層との間に、活性層の分解を防止するようにＮ_２ガスを用いて成長させた層と、電位障壁を形成するようにＨ_２ガスを用いて成長させた層とを有するキャップ層を設ける構成が提案されている。
しかしながら、この技術においても発光効率の向上には改善の余地がある。

特許第３４４６６６０号明細書

本発明は、発光効率の高い半導体発光素子を提供する。

本発明の一態様によれば、サファイア基板の上に形成され、窒化物半導体を含むｎ型半導体層と、ＧａＮのｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられ、窒化物半導体を含む複数の量子井戸層を含む発光部と、前記発光部と前記ｐ型半導体層との間に設けられ、０．００１以上０．０５以下の第１Ａｌ組成比を有するＡｌＧａＮを含み、０．５ナノメートル以上５ナノメートル以下の厚さを有する第１層と、前記第１層と前記ｐ型半導体層との間において前記ｐ型半導体層に接して設けられ、０．１以上０．２以下の第２Ａｌ組成比を有するＡｌＧａＮを含みｐ型不純物濃度が前記第１層よりも高い第２層と、前記第１層と前記発光部との間において、前記複数の量子井戸層のうちで前記ｐ型半導体層に最も近いｐ側量子井戸層に接し、厚さが３ナノメートル以上で８ナノメートル以下であり、Ｉｎ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎ（０≦ｚ１＜１）を含む中間層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明によれば、発光効率の高い半導体発光素子が提供される。

半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。半導体発光素子の特性を示す模式図である。半導体発光素子の特性を示す模式図である。比較例の半導体発光素子の特性を示す模式図である。比較例の半導体発光素子の特性を示す模式図である。半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を示す模式図である。半導体発光素子の特性の示すグラフ図である。半導体発光素子の特性を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
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。

（実施の形態）
図１は、本発明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２は、本発明の実施形態に係る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に表したように、本発明の実施形態に係る半導体発光素子１１０は、窒化物半導体を含むｎ型半導体層１０と、窒化物半導体を含むｐ型半導体層２０と、ｎ型半導体層１１０とｐ型半導体層２０との間に設けられ、量子井戸層を含む発光部３０と、第１層４１と、第２層４２と、中間層４０ｍと、を備える。

図１に例示したように、ｎ型半導体層１０、発光部３０、中間層４０ｍ、第１層４１、第２層４２及びｐ型半導体層２０は、Ｚ軸方向に沿って積層される。

第１層４１は、発光部３０とｐ型半導体層２０との間に設けられ、第１Ａｌ組成比ｘ１を有するＡｌＧａＮを含む。例えば、第１層４１は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎを含む。第１Ａｌ組成比ｘ１は、０よりも大きく、１よりも小さい。具体的には、第１Ａｌ組成比は、例えば、０．００１以上０．０５以下である。

第２層４２は、第１層４１とｐ型半導体層２０との間に設けられ、第１Ａｌ組成比ｘ１よりも高い第２組成比ｘ２を有するＡｌＧａＮを含む。例えば、第２層４２は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎを含む。第２Ａｌ組成比ｘ２は、０よりも大きく、１よりも小さく、第１Ａｌ組成比ｘ１よりも高い。具体的には、第２Ａｌ組成比ｘ２は、例えば、０．１以上０．２以下である。

中間層４０ｍは、第１層４１と発光部３０との間に設けられ、厚さが３ｎｍ（ナノメートル）以上で８ｎｍ以下である。中間層４０ｍは、Ｉｎ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎ（０≦ｚ１＜１）を含む。すなわち、中間層４０ｍは、実質的にＡｌを含まない。中間層４０ｍには、例えばＧａＮまたはＩｎＧａＮが用いられる。

図２に表したように、発光部３０は、上記のＺ軸方向に沿って互いに交互に積層された複数の障壁層３１と、複数の井戸層３２（量子井戸層）と、を含む。すなわち、発光部３０は、Ｚ軸方向に沿って互いに交互に積層された複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１のそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む。

なお、図２に例示したように、本実施形態においては、ｎ型半導体層１０には、井戸層３２ではなく、障壁層３１（複数の障壁層３１のうちで、ｎ型半導体層１０に最も近い障壁層３１）が接するものとする。また、発光部３０のうちのｐ型半導体層２０の側には、井戸層３２が配置されるものとする。すなわち、中間層４０ｍには、井戸層３２（複数の井戸層３２のうちで、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２）が接するものとする。

図１に例示したように、ｎ型半導体層１０は、例えば、ｎ型ＧａＮ層１１と、ｎ型ＧａＮ層１１と発光部３０との間に設けられたｎ型ガイド層１２と、を有することができる。ｎ型ガイド層１２には、例えば、Ｓｉなどのｎ型不純物がドープされたＧａＮやＩｎＧａＮが用いられる。

ｐ型半導体層２０は、例えば、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２と、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２と第２層４２との間に設けられたｐ型ＧａＮ層２１と、を有することができる。ｐ型半導体層２０には、例えばＭｇなどのｐ型不純物が高濃度でドープされる。

図１に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、例えばサファイアからなる基板５と、その上に設けられたバッファ層６と、バッファ層６の上に設けられたｎ型ＧａＮ層１１と、ｎ型ＧａＮ層１１の上に設けられたｎ型ガイド層１２と、を含むことができる。ｎ型ＧａＮ層１１及びｎ型ガイド層１２がｎ型半導体層１０に相当する。

そして、ｎ型ガイド層１２の上に発光部３０（障壁層３１及び井戸層３２）が設けられる。発光部３０の上に中間層４０ｍが設けられ、中間層４０ｍの上に第１層４１が設けられ、第１層４１の上に第２層４２が設けられる。

第２層４２の上にｐ型ＧａＮ層２１が設けられ、ｐ型ＧａＮ層２１の上にｐ型ＧａＮコンタクト層２２が設けられる。ｐ型ＧａＮ層２１及びｐ型ＧａＮコンタクト層２２が、ｐ型半導体層２０に相当する。

上記のような構成を有する積層構造体のｐ型半導体層２０の側の第１主面において、ｎ型半導体層１０の一部と、発光部３０と、中間層４０ｍと、第１層４１と、第２層４２と、ｐ型半導体層２０と、の一部が除去され、第１主面の側においてｎ型半導体層１０が露出している。露出したｎ型半導体層１０に接してｎ側電極７１が設けられ、ｐ型半導体層２０に接してｐ側電極８１が設けられる。

このような半導体発光素子１１０は、例えば以下のようにして製造される。
まず、サファイアからなる基板５の上に、バッファ層６を形成した後、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ層１１を結晶成長させる。ｎ型ＧａＮ層１１の厚さは、例えば４μｍ（マイクロメートル）程度である。

結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。この他、結晶成長には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）が用いられる。ｎ型不純物には、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎなど種々の元素を用いることが可能である。本具体例では、Ｓｉを用いる。Ｓｉのドーピング量として、例えば、２×１０^１８ｃｍ^−３程度が採用される。基板５には、サファイアの他、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡsなど様々なものを用いることができる。

次に、ｎ型ＧａＮ層１１の上にｎ型ガイド層１２を結晶成長させる。ｎ型ガイド層１２には、例えば、ｎ型不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３程度でドープされたＧａＮが用いられる。ｎ型ガイド層１２の厚さは、例えば、０．１μｍ程度とされる。

ｎ型ＧａＮ層１１及びｎ型ガイド層１２を成長させる際の成長温度は、いずれも例えば、１０００〜１１００℃である。

また、ｎ型ガイド層１２として、ＧａＮの他に、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いることもできる。ｎ型ガイド層１２にＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いる場合の成長温度は、例えば７００〜８００℃である。なお、ｎ型ガイド層１２にＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いる場合においても、ｎ型ガイド層１２の厚さとして、例えば０．１μｍが採用できる。

次に、ｎ型ガイド層１２の上に、発光部３０を形成する。例えば、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを含む障壁層３１と、アンドープのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎを含む井戸層３２とを、交互に８ペア積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を形成する。障壁層３１のそれぞれの厚さは、例えば５．０ｎｍとされる。井戸層３２のそれぞれの厚さは、例えば２．５ｎｍとされる。障壁層３１及び井戸層３２の成長温度は、例えば７００〜８００℃である。なお、障壁層３１には、ｎ型不純物を１×１０^１８ｃｍ^−３程度でドープしても良く、障壁層３１は、アンドープでも良い。

発光部３０の上に、例えばＧａＮからなる中間層４０ｍを成長させる。中間層４０ｍの厚さは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下に設定される。本具体例では、中間層４０ｍの厚さは、５ｎｍとされる。

中間層４０ｍの上に、第１層４１を成長させる。第１層４１には、例えばＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎが用いられる。すなわち、第１Ａｌ組成比ｘ１は、０．０５である。第１層４１の厚さは、例えば５ｎｍである。

第１層４１の上に、第２層４２を成長させる。第２層４２には、Ａｌ_０．２0Ｇａ_０．８0Ｎが用いられる。すなわち、第２Ａｌ組成比ｘ２は、０．２０である。第２層４２の厚さは、例えば５ｎｍである。本具体例では、第２層４２に用いられるＡｌ_０．２0Ｇａ_０．８0Ｎには、例えば、Ｍｇが４×１０^１９ｃｍ^−３程度でドープされる。一方、第１層４１に用いられるＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮにはＭｇがドープされていない。このように、第２層４２におけるｐ型不純物濃度は、第１層４１よりも高い。

第２層４２に上に、ｐ型ＧａＮ層２１を成長させる。ｐ型ＧａＮ層２１には、Ｍｇが１×１０^１９ｃｍ^−３程度でドープされる。ｐ型ＧａＮ層２１の厚さは、例えば５０ｎｍ程度である。ｐ型ＧａＮ層２１の成長温度は、例えば１０００〜１１００℃である。

ｐ型ＧａＮ層２１の上に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２を成長させる。ｐ型ＧａＮコンタクト層２２には、例えば、Ｍｇが１×１０^２０ｃｍ^−３程度でドープされる。ｐ型ＧａＮコンタクト層２２の厚さは、例えば６０ｎｍ程度である。

このような順次結晶成長を行ったウェーハに対して、以下のデバイスプロセスが実施される。
ｐ型ＧａＮコンタクト層２２の上に、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなるｐ側電極８１が形成される。ＩＴＯの厚さは、例えば０．２μｍである。ＩＴＯの一部の上にはｐ側パッド電極８２として、厚さが例えば１．０μｍのＡｕ膜が形成される。

ｐ側電極８１（及びｐ側パッド電極８２）の形成の後、上記の積層構造体の一部にドライエッチングを施し、ｎ型ＧａＮ層１１の一部を露出させ、ｎ型ＧａＮ層１１の露出した部分にｎ側電極７１を形成する。ｎ側電極７１としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜が用いられる。このＴｉ膜の厚さは例えば０．０５μｍ程度であり、Ｐｔ膜の厚さは例えば０．０５μｍ程度であり、Ａｕ膜の厚さは例えば１．０μｍ程度である。
このようにして、半導体発光素子１１０が作製される。

ＬＥＤのような半導体発光素子においては、発光部３０から電子がオーバーフローしやすい傾向にある。一方、ｐ型不純物の活性化率が低いため、正孔のキャリア密度が低くなりやすい傾向にある。また、窒化物半導体においては正孔の有効質量が大きいため、正孔の拡散長が小さい傾向にあり、正孔の活性層への注入効率の改善が必要である。

本願発明者の種々の実験の結果により、Ｉｎを含む量子井戸構造を活性層に用いたＧａＮ系ＬＥＤの場合、ｐ型半導体層２０の側の量子井戸層の発光が支配的であることが分かった。また、活性層（発光部３０）への正孔の注入効率を上げるためには、ＡｌＧａＮからなる電子オーバーフロー防止層を活性層に近づけることが正孔の拡散長との兼ね合いから望ましいが、活性層に近づけすぎると、ＡｌＧａＮの自発分極の影響がＩｎを含む量子井戸層に加わってしまい、逆に量子効率が下がることが分かった。
本発明の実施形態の構成は、このような知見に基づいて構築されている。

本実施形態にかかる半導体発光素子１１０においては、第２層４２は、Ａｌ組成が高いＡｌＧａＮ層であり、電子のオーバーフローを抑制する電子オーバーフロー防止層として機能する。

電子のオーバーフローを抑制する効果を高めるためには、電子オーバーフロー防止層におけるＡｌ組成比が高いことが望ましい。一方、電子オーバーフロー層におけるＡｌ組成比が高過ぎると、自発分極の影響によって、ｐ型半導体層２０に近接する井戸層３２のエネルギーバンドが曲がってしまい、発光効率が低下する。

本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、発光部３０とｐ型半導体層２０との間に、発光部３０からｐ型半導体層２０に向かって、Ａｌを実質的に含まない中間層４０ｍ、Ａｌ組成比が低い第１層４１、及び、Ａｌ組成比が高い第２層４２が、この順で配置される。

図３は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、同図は、半導体発光素子１１０における発光部３０からｐ型半導体層２０にかけての半導体層におけるＡｌ組成比Ａｘの変化を例示している。同図において、横軸は、Ｚ軸方向（積層方向）であり、縦軸は、半導体層におけるＡｌ組成比Ａｘである。

図３に表したように、発光部３０の端（ｐ型半導体層２０の側の端）においては、井戸層３２が配置され、井戸層３２におけるＡｌ組成比Ａｘは実質的に零である。中間層４０ｍにおいても、Ａｌ組成比Ａｘは実質的に零である。第１層４１におけるＡｌ組成比Ａｘは、第１Ａｌ組成比ｘ１であり、例えば、０．００１以上０．０５以下である。第２層４２におけるＡｌ組成比Ａｘは、第２Ａｌ組成比ｘ２であり、例えば、０．１以上０．２以下である。

このように、半導体発光素子１１０においては、発光部３０とｐ型半導体層２０との間に設けられる中間層４０ｍ、第１層４１及び第２層４２のＡｌ組成比Ａｘを、発光部３０からｐ型半導体層２０に向かう方向に沿って、漸増させる。そして、発光部３０の井戸層３２に接する半導体層である中間層４０ｍは、実質的にＡｌを含まない。

この構成により、発光部３０とｐ型半導体層２０との間において、ｐ型半導体層２０に近い側ではＡｌ組成比Ａｘが高いため、電子オーバーフロー防止効果が十分に発揮される。そして、発光部３０に近い側では、実質的にＡｌを含まないため、Ａｌを含んだ場合のＡｌＧａＮ層における自発分極によって井戸層３２のエネルギーバンド特性に与える悪影響が抑制される。

図４は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、同図は、半導体発光素子１１０における発光部３０からｐ型半導体層２０にかけての半導体層におけるエネルギーバンド特性を模式的に例示している。同図において、横軸は、Ｚ軸方向（積層方向）であり、縦軸は、エネルギーＥｇである。同図においては、伝導帯ＣＢの状態と、価電子帯ＶＢの特性が例示されている。
図４に表したように、半導体発光素子１１０においては、発光部３０からｐ型半導体層２０にかけて、所望のエネルギーバンド特性が実現できる。

すなわち、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のエネルギー特性は、それ以外の井戸層３２のエネルギー特性と実質的に同様である。すなわち、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のエネルギー特性は、例えば、Ａｌ組成比Ａｘが高い第２層４２の影響を実質的に受けていない。
これにより、電子のオーバーフローを低減させ、かつ活性層への正孔の注入効率も上げることが可能となり、発光効率が向上する。

図５は、比較例の半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、同図は、比較例の半導体発光素子１１９における発光部３０からｐ型半導体層２０にかけての半導体層におけるＡｌ組成比Ａｘの変化を例示している。
図６は、比較例の半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、同図は、比較例の半導体発光素子１１９における発光部３０からｐ型半導体層２０にかけての半導体層におけるエネルギーバンド特性を模式的に例示している。
図５に表したように、比較例の半導体発光素子１１９においては、発光部３０の井戸層３２に隣接して高い組成比でＡｌを含む第２層４２が設けられている。

この場合、図６に表したように、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のエネルギー特性は、それ以外の井戸層３２のエネルギー特性とは異なる。すなわち、Ａｌ組成比が高い第２層４２における自発分極によって、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のエネルギーバンドが曲がっている。このため、比較例の半導体発光素子１１９においては、効率が低下する。

これに対し、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、中間層４０ｍ及び第１層４１を設けることで、Ａｌ組成比Ａｘが高い第２層４２の自発分極の影響を井戸層３２に与えることを抑制できるため、エネルギーバンド特性を所望の状態に制御できる。これにより、電子のオーバーフローを低減させ、かつ活性層への正孔の注入効率も上げることが可能となり、発光効率が高い。

以下、実施形態に係る実施例の特性を、比較例と共に説明する。
実施形態に係る第１〜第３実施例の半導体発光素子１１０ａ〜１１０ｃの構成は、図１に例示した半導体発光素子１１０と同様なので説明を省略する。

（第１実施例）
第１実施例の半導体発光素子１１０ａにおいては、中間層４０ｍが、実質的にＡｌを含まないＧａＮであり、その厚さは５ｎｍである。第１層４１は、Ａｌ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ（すなわち、第１Ａｌ組成比ｘ１＝０．０１）であり、その厚さは５ｎｍである。第１層４１におけるＭｇ濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度と比較的低濃度である。第２層４２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（すなわち、第２Ａｌ組成比ｘ２＝０．２）であり、その厚さは５ｎｍである。第２層４２におけるＭｇ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３程度と高濃度である。

（第２実施例）
第２実施例の半導体発光素子１１０ｂにおいては、第１層４１は、Ａｌ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎであり、その厚さは２．５ｎｍである。そして、それ以外の構成は、第１実施例と同様である。

（第３実施例）
第３実施例の半導体発光素子１１０ｃにおいては、第１層４１は、Ａｌ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎであり、その厚さは０．５ｎｍである。そして、それ以外の構成は、第１実施例と同様である。

（第１比較例）
第１比較例の半導体発光素子１１９ａの構成は、図５に例示した比較例の半導体発光素子１１９と同様の構成を有する。すなわち、半導体発光素子１１９ａは、中間層４０ｍ及び第１層４１を有していない。それ以外は、第１実施例の半導体発光素子１１０ａと同様の構成を有する。
すなわち、第１比較例の半導体発光素子１１９ａにおいては、発光部３０の井戸層３２に接して、第２層４２が設けられている。第２層４２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎであり、その厚さは５ｎｍである。第２層４２におけるＭｇ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３である。

（第２比較例）
第２比較例の半導体発光素子１１９ｂは、中間層４０ｍと第１層４１と第２層４２とを有している。すなわち、半導体発光素子１１９ｂの構成は、図１に例示した半導体発光素子１１０と類似している。ただし、中間層４０ｍが薄い。半導体発光素子１１９ｂにおいては、中間層４０ｍの厚さが０．５ｎｍである。それ以外の構成（例えば、第１層４１と第２層４２の構成）は、第１実施例の半導体発光素子１１０ａと同様である。

（第３比較例）
第３比較例の半導体発光素子１１９ｃは、中間層４０ｍと第１層４１と第２層４２とを有している。すなわち、半導体発光素子１１９ｃの構成は、図１に例示した半導体発光素子１１０と類似している。ただし、中間層４０ｍが薄い。半導体発光素子１１９ｃにおいては、中間層４０ｍの厚さが２．５ｎｍである。それ以外の構成（例えば、第１層４１と第２層４２の構成）は、第１実施例の半導体発光素子１１０ａと同様である。

図７は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、第１〜第３実施例の半導体発光素子１１０ａ〜１１０ｃ、及び、第１〜第３比較例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃの特性を例示している。同図において、横軸は、各半導体発光素子に通電される電流Ｉｆであり、縦軸は、発光効率Ｅｆｆである。
これらの半導体発光素子１１０ａ〜１１０ｃ及び１１９ａ〜１１９ｃは、ピーク波長が４５０ｎｍの青色ＬＥＤである。

図７に表したように、中間層４０ｍを設けない第１比較例の半導体発光素子１１９ａにおいては、発光効率Ｅｆｆは著しく小さい。これは、発光部３０の井戸層３２に、Ａｌ組成比Ａｘが高い第２層４２が接しており、第２層４２における自発分極により、井戸層３２のエネルギーＥｇの特性が劣化したことが原因であると推察される。

中間層４０ｍの厚さが０．５ｎｍである第２比較例の半導体発光素子１１９ｂにおいても発光効率Ｅｆｆは低い。

中間層４０ｍの厚さが２．５ｎｍである第３比較例の半導体発光素子１１９ｃにおいては、半導体発光素子１１９ｂに比べると発光効率Ｅｆｆは上昇しているが、不十分である。

これに対し、第１〜第３実施例の半導体発光素子１１０ａ〜１１０ｃにおいては、いずれも高い発光効率Ｅｆｆを示した。なお、第１層４１の厚さが０．５ｎｍでも高い発光効率を示すことから、中間層４０ｍの厚さが５ｎｍ程度の場合には、第１層４１の厚さは、０．５ｎｍ程度で良いことが分かる。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０（半導体発光素子１１０ａ〜１１０ｃ）においては、中間層４０ｍが少なくとも５ｎｍ程度の厚さを有していれば高い発光効率が得られる。そして、中間層４０ｍの厚さが例えば、２．５ｎｍ以下であると（例えば第２及び第３比較例の半導体発光素子１１９ｂ及び１１９ｃ）、発光効率Ｅｆｆは低い。

図８は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。
すなわち、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第１実施例の半導体発光素子１１０ａ、並びに、第２及び第３比較例の半導体発光素子１１９ｂ及び１１９ｃにおける発光部３０からｐ型半導体層２０にかけての半導体層におけるエネルギーバンド特性をシミュレーションした結果を例示している。

図８（ａ）に表したように、中間層４０ｍの厚さが０．５ｎｍである第２比較例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２（井戸層３２ａ）のエネルギー特性が曲線状であり、エネルギーバンドが曲がっている。これは、例えば、Ａｌ組成比Ａｘが高い第２層４２の自発分極の影響であると考えられる。

図８（ｂ）に表したように、中間層４０ｍの厚さが２．５ｎｍである第３比較例の半導体発光素子１１９ｃにおいても、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のエネルギー特性がやはり曲線状であり、エネルギーバンドの曲がりは十分には解消されていない。

これに対し、図８（ｃ）に表したように、中間層４０ｍの厚さが５ｎｍである第１実施例の半導体発光素子１１０ａにおいては、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のエネルギー特性が直線状であり、エネルギーバンドの曲がりが十分に解消されている。これにより、高い発光効率が得られる。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、中間層４０ｍの厚さは、３ｎｍ以上とされる。

以下、中間層４０ｍが厚い場合も含めて、半導体発光素子の発光効率Ｅｆｆ及び電圧Ｖｆの特性について説明する。
（第４比較例）
第４比較例の半導体発光素子１１９ｄは、中間層４０ｍと第１層４１と第２層４２とを有している。すなわち、半導体発光素子１１９ｄの構成は、図１に例示した半導体発光素子１１０と類似している。ただし、中間層４０ｍが厚い。半導体発光素子１１９ｄにおいては、中間層４０ｍの厚さが１０．０ｎｍである。それ以外の構成（例えば、第１層４１と第２層４２の構成）は、第１実施例の半導体発光素子１１０ａと同様である。

図９は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第１実施例の半導体発光素子１１０ａ、並びに、第２、第３、及び第４比較例の半導体発光素子１１９ｂ、１１９ｃ及び１１９ｄの、発光効率Ｅｆｆ及び電圧Ｖｆを例示している。これらの図において、横軸は、各半導体発光素子に通電される電流Ｉｆである。図９（ａ）の縦軸は、発光効率Ｅｆｆである。図９（ｂ）の縦軸は、電圧Ｖｆである。図９（ｃ）は、これらの半導体発光素子における中間層４０ｍの厚さｔｍと、発光効率Ｅｆｆと、の関係を例示している。図９（ｃ）の横軸は、中間層４０ｍの厚さｔｍであり、縦軸は、電流Ｉｆが２０ｍＡの時の発光効率Ｅｆｆである。

図９（ａ）に表したように、半導体発光素子１１９ｂ及び１１９ｃのように、中間層４０ｍの厚さｔｍが０．５ｎｍ及び２．５ｎｍのように薄い場合も、半導体発光素子１１９ｄのように中間層４０ｍの厚さ４０ｍが過度に厚い場合も、発光効率Ｅｆｆは低い。

図９（ｃ）に表したように、中間層４０ｍの厚さが、約３ｎｍ以上、８ｎｍ以下の場合に発光効率Ｅｆｆは高い値を示す。

このように、中間層４０ｍの厚さｔｍが過度に厚いと発光効率Ｅｆｆが低下するのは、窒化物半導体においてや正孔の移動度が小さいため、中間層４０ｍが厚いと正孔の活性層（発光部３０）への注入効率が低下することが原因であると考えられる。

さらに、図９（ｂ）に表したように、中間層４０が厚い半導体発光素子１１９ｄにおいては、電圧Ｖｆが高い。この観点でも、中間層４０ｍの厚さｔｍは適正に設定される。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、中間層４０ｍの厚さは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下とされる。

図１０は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１１〜１１３の特性をそれぞれ例示している。これらの図は、発光部３０からｐ型半導体層２０にかけての半導体層におけるＡｌ組成比Ａｘの変化を例示している。これらの図において、横軸は、Ｚ軸方向（積層方向）であり、縦軸は、半導体層におけるＡｌ組成比Ａｘである。

図１０（ａ）に表したように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１１は、中間層４０ｍ、第１層４１及び第２層４２に加えて、第１層４１と第２層４２との間に設けられ、第１Ａｌ組成比ｘ１と第２Ａｌ組成比ｘ２との間の第３Ａｌ組成比ｘ３を有するＡｌＧａＮからなる第３層４３をさらに備えている。

図１０（ｂ）に表したように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２は、中間層４０ｍ、第１層４１、第２層４２及び第３層４３に加えて、第３層４３と第２層４２との間に設けられ、第３Ａｌ組成比ｘ３と第２Ａｌ組成比ｘ２との間の第４Ａｌ組成比ｘ４を有するＡｌＧａＮからなる第４層４４をさらに備えている。

このように、Ａｌを実質的に含まない中間層４０ｍと、高組成比でＡｌを含む第２層４２との間に、複数の層を設けることができ、その複数の層におけるＡｌ組成比は、中間層４０ｍから第２層４２に向かうに従って上昇する。
なお、中間層４０ｍと第２層４２との間に設けられる複数の層の数は任意である。

さらに、１つの層の内部でＡｌ組成比Ａｘが変化しても良い。
図１０（ｃ）に表したように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１３は、中間層４０ｍ、第１層４１及び第２層４２に加えて、第１層４１と第２層４２との間に設けられ、第１Ａｌ組成比ｘ１と第２Ａｌ組成比ｘ２との間の第３Ａｌ組成比ｘ３を有するＡｌＧａＮからなる第３層４３をさらに備えており、第３層４３におけるＡｌ組成比Ａｘは、発光部３０からｐ型半導体層２０に向かう方向に沿って上昇している。

このような構成を有する半導体発光素子１１１〜１１３においても、発光効率が向上できる。

このように、実施形態に係る半導体発光素子においては、第１層４１から第２層４２に向かって、Ａｌ組成比Ａｘが、段階的にまたは連続的に上昇（漸増）する構成が適用され、Ａｌ組成比Ａｘの変化の特性は任意である。

なお、図２に例示した半導体発光素子１１０の発光部３０の構成において、発光部３０は、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のｐ型半導体層２０の側に設けられた障壁層３１をさらに有することができる。このとき、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、その障壁層３１は、実質的にＡｌを含まない。すなわち、その障壁層３１には、Ｉｎ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０≦ｚ２＜１）が用いられる。そして、この場合には、その障壁層３１と中間層４０ｍとを合わせた合計の厚さが、３ｎｍ以上８ｎｍ以下とされる。

また、半導体発光素子１１０における中間層４０ｍは、発光部３０において、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のｐ型半導体層２０の側に設けられた障壁層３１と見なすこともできるが、ｐ型半導体層２０に最も近い井戸層３２のｐ型半導体層２０の側に設けられたその障壁層３１を中間層４０ｍと見なす。

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や、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれか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。

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型半導体層、ｐ型半導体層、発光部、井戸層、障壁層、中間層、第１〜第４層、電極、基板、バッファ層等の各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、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。

５…基板、６…バッファ層、１０…ｎ型半導体層、１１…ｎ型ＧａＮ層、１２…ｎ型ガイド層、２０…ｐ型半導体層、２１…ｐ型ＧａＮ層、２２…ｐ型ＧａＮコンタクト層、３０…発光部、３１…障壁層、３２…井戸層、４０ｍ…中間層、４１〜４４…第１〜第４層、７１…ｎ側電極、８１…ｐ側電極、８２…ｐ側パッド電極、１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１１〜１１３、１１９、１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ…半導体発光素子、Ａｘ…Ａｌ組成比、ＣＢ…伝導帯、Ｅｇ…エネルギー、Ｅｆｆ…発光効率、Ｉｆ…電流、ＶＢ…価電子帯、Ｖｆ…電圧、ｔｍ…厚さ、ｘ１〜ｘ４…第１〜第４組成比

Claims

サファイア基板の上に形成され、窒化物半導体を含むｎ型半導体層と、
ＧａＮのｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられ、窒化物半導体を含む複数の量子井戸層を含む発光部と、
前記発光部と前記ｐ型半導体層との間に設けられ、０．００１以上０．０５以下の第１Ａｌ組成比を有するＡｌＧａＮを含み、０．５ナノメートル以上５ナノメートル以下の厚さを有する第１層と、
前記第１層と前記ｐ型半導体層との間において前記ｐ型半導体層に接して設けられ、０．１以上０．２以下の第２Ａｌ組成比を有するＡｌＧａＮを含みｐ型不純物濃度が前記第１層よりも高い第２層と、
前記第１層と前記発光部との間において、前記複数の量子井戸層のうちで前記ｐ型半導体層に最も近いｐ側量子井戸層に接し、厚さが３ナノメートル以上で８ナノメートル以下であり、Ｉｎ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎ（０≦ｚ１＜１）を含む中間層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
前記第１層と前記第２層との間に設けられ、前記第１Ａｌ組成比と前記第２Ａｌ組成比との間の第３Ａｌ組成比を有するＡｌＧａＮからなる第３層をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記第１層から前記第２層に向かって、Ａｌ組成比が漸増することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。