JP5865827B2

JP5865827B2 - Semiconductor light emitting device

Info

Publication number: JP5865827B2
Application number: JP2012277463A
Authority: JP
Inventors: 重哉木村; 原田　佳幸; 佳幸原田; 名古　肇; 肇名古; 浩一橘; 布上　真也; 真也布上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-10-11
Also published as: JP2013084978A

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor light emitting device.

窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体は、ワイドバンドギャップというその特徴を活かし、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などに応用されている。 Nitride III-V compound semiconductors such as gallium nitride (GaN) take advantage of the feature of wide band gap, and high-intensity light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), etc. Has been applied.

これらの発光素子は、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、その間に設けられ、量子井戸層と障壁層とを有する発光層と、を有している。
このような半導体発光素子において、高い発光効率を実現することが望まれている。 These light-emitting elements each include an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and a light-emitting layer that is provided therebetween and includes a quantum well layer and a barrier layer.
In such a semiconductor light emitting device, it is desired to realize high luminous efficiency.

特開２００３−２３４５４５号公報JP 2003-234545 A

本発明は、発光効率の高い半導体発光素子を提供する。 The present invention provides a semiconductor light emitting device with high luminous efficiency.

実施形態に係る半導体発光素子は、窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、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た発光層と、を備える。
前記発光層は、III族元素を含む障壁層と、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前記障壁層と積層されIII族元素を含む井戸層と、を有する。
前記障壁層を、前記ｎ形半導体層側の第１部分と、前記ｐ形半導体層側の第２部分と、に分けた場合、前記第２部分のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第１部分のIII族元素中におけるＩｎ組成比よりも低い。
前記井戸層を、前記ｎ形半導体層側の第３部分と、前記ｐ形半導体層側の第４部分と、に分けた場合、前記第４部分のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第３部分のIII族元素中におけるＩｎ組成比よりも高い。
前記障壁層のＩｎ組成比及び前記井戸層のＩｎ組成比は、前記発光層に電圧を印加した状態において前記井戸層及び前記障壁層の価電子帯のエネルギーバンド図が矩形状になるような組成比である。前記障壁層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記方向に減少し、前記井戸層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記方向に増加する。 The semiconductor light emitting device according to the embodiment includes an n-type semiconductor layer including a nitride semiconductor, a p-type semiconductor layer including a nitride semiconductor, and light emission provided between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. A layer.
The light emitting layer includes a barrier layer containing a group III element and a well layer laminated with the barrier layer in a direction from the n-type semiconductor layer to the p-type semiconductor layer and containing a group III element.
When the barrier layer is divided into the first part on the n-type semiconductor layer side and the second part on the p-type semiconductor layer side, the In composition ratio in the group III element of the second part is It is lower than the In composition ratio in the group III element of the first part.
When the well layer is divided into a third portion on the n-type semiconductor layer side and a fourth portion on the p-type semiconductor layer side, the In composition ratio in the group III element of the fourth portion is It is higher than the In composition ratio in the third group III element.
The In composition ratio of the barrier layer and the In composition ratio of the well layer are such that the energy band diagram of the valence band of the well layer and the barrier layer is rectangular when a voltage is applied to the light emitting layer. Is the ratio. The In composition ratio in the group III element of the barrier layer decreases in the direction, and the In composition ratio in the group III element of the well layer increases in the direction.

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。1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of a semiconductor light emitting element according to an embodiment. 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。1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a semiconductor light emitting element according to an embodiment. （ａ）〜（ｂ）は、発光層のＩｎ組成比を例示する図である。(A)-(b) is a figure which illustrates In composition ratio of a light emitting layer. （ａ）〜（ｄ）は、エネルギーバンド及びキャリア濃度分布を例示する図である。(A)-(d) is a figure which illustrates an energy band and carrier concentration distribution. 半導体発光素子の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of a semiconductor light-emitting device. （ａ）〜（ｂ）は、Ｉｎ組成比を示す図である。(A)-(b) is a figure which shows In composition ratio. （ａ）〜（ｂ）は、Ｉｎ組成比及びエネルギーバンドを示す図である。(A)-(b) is a figure which shows In composition ratio and an energy band. （ａ）〜（ｂ）は、Ｉｎ組成比及びエネルギーバンドを示す図である。(A)-(b) is a figure which shows In composition ratio and an energy band. （ａ）〜（ｄ）は、他のＩｎ組成比を例示する模式図である。(A)-(d) is a schematic diagram which illustrates other In composition ratio. （ａ）〜（ｈ）は、Ｉｎ組成比の傾斜の例を示す模式図である。(A)-(h) is a schematic diagram which shows the example of the inclination of In composition ratio. 内部量子効率を例示する図である。It is a figure which illustrates internal quantum efficiency. （ａ）〜（ｂ）は、内部量子効率を例示する図である。(A)-(b) is a figure which illustrates internal quantum efficiency. （ａ）〜（ｂ）は、内部量子効率を例示する図である。(A)-(b) is a figure which illustrates internal quantum efficiency.

以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
また、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Note that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio coefficient of the size between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratio coefficient may be represented differently depending on the drawing.
Further, in the present specification and each drawing, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with reference to the previous drawings, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

（実施形態）
図１は、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２は、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２０と、ｐ形半導体層５０と、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層５０との間に設けられた発光層４０と、を備える。半導体発光素子１１０においては、発光層４０と、ｎ形半導体層２０と、の間に積層体３０が設けられていてもよい。 (Embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a part of the semiconductor light emitting element according to the embodiment.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the semiconductor light emitting element according to the embodiment.
As shown in FIG. 2, the semiconductor light emitting device 110 according to this embodiment is provided between the n-type semiconductor layer 20, the p-type semiconductor layer 50, and the n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 50. A light emitting layer 40. In the semiconductor light emitting device 110, the stacked body 30 may be provided between the light emitting layer 40 and the n-type semiconductor layer 20.

ｎ形半導体層２０及びｐ形半導体層５０は、窒化物半導体を含む。
発光層４０は、例えば活性層である。積層体３０は、例えば超格子層である。 The n-type semiconductor layer 20 and the p-type semiconductor layer 50 include a nitride semiconductor.
The light emitting layer 40 is an active layer, for example. The stacked body 30 is, for example, a superlattice layer.

半導体発光素子１１０においては、例えばサファイヤからなる基板１０の主面（例えばｃ面）に、例えばバッファ層１１が設けられ、その上に、例えばアンドープのＧａＮ下地層２１と、ｎ形ＧａＮコンタクト層２２と、が設けられる。ｎ形ＧａＮコンタクト層２２は、ｎ形半導体層２０に含まれる。なお、ＧａＮ下地層２１は、便宜的にｎ形半導体層２０に含まれるものとしてもよい。 In the semiconductor light emitting device 110, for example, the buffer layer 11 is provided on the main surface (for example, c-plane) of the substrate 10 made of sapphire, for example, an undoped GaN foundation layer 21 and an n-type GaN contact layer 22. And are provided. The n-type GaN contact layer 22 is included in the n-type semiconductor layer 20. The GaN foundation layer 21 may be included in the n-type semiconductor layer 20 for convenience.

ｎ形ＧａＮコンタクト層２２の上には、積層体３０が設けられている。積層体３０においては、例えば、第１結晶層３１と、第２結晶層３２と、が交互に積層されている。 A stacked body 30 is provided on the n-type GaN contact layer 22. In the stacked body 30, for example, the first crystal layers 31 and the second crystal layers 32 are alternately stacked.

積層体３０の上には、発光層４０（活性層）が設けられている。発光層４０は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。すなわち、発光層４０は、複数の障壁層４１及び複数の井戸層４２が、交互に繰り返し積層された構造を含んでいる。障壁層４１及び井戸層４２の詳しい構成については後述する。 A light emitting layer 40 (active layer) is provided on the stacked body 30. The light emitting layer 40 has, for example, a multiple quantum well (MQW) structure. That is, the light emitting layer 40 includes a structure in which a plurality of barrier layers 41 and a plurality of well layers 42 are alternately and repeatedly stacked. Detailed configurations of the barrier layer 41 and the well layer 42 will be described later.

発光層４０の上には、ｐ形ＡｌＧａＮ層５１、ｐ形の例えばＭｇドープＧａＮ層５２、及び、ｐ形ＧａＮコンタクト層５３が、この順に設けられている。なお、ｐ形ＡｌＧａＮ層５１は、電子オーバフロー抑制層の機能を有する。ｐ形ＡｌＧａＮ層５１、ＭｇドープＧａＮ層５２及びｐ形ＧａＮコンタクト層５３は、ｐ形半導体層５０に含まれる。また、ｐ形ＧａＮコンタクト層５３の上には、透明電極６０が設けられている。 On the light emitting layer 40, a p-type AlGaN layer 51, a p-type Mg-doped GaN layer 52, and a p-type GaN contact layer 53 are provided in this order. Note that the p-type AlGaN layer 51 functions as an electron overflow suppression layer. The p-type AlGaN layer 51, the Mg-doped GaN layer 52, and the p-type GaN contact layer 53 are included in the p-type semiconductor layer 50. A transparent electrode 60 is provided on the p-type GaN contact layer 53.

そして、ｎ形半導体層２０であるｎ形ＧａＮコンタクト層２２の一部、その一部に対応する積層体３０、発光層４０及びｐ形半導体層５０が除去され、ｎ形ＧａＮコンタクト層２２の上にｎ側電極７０が設けられる。ｎ側電極７０には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造が用いられる。一方、透明電極６０の上には、ｐ側電極８０が設けられる。
このように、本実施形態に係る本具体例の半導体発光素子１１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）である。 Then, a part of the n-type GaN contact layer 22 which is the n-type semiconductor layer 20, the stacked body 30, the light emitting layer 40 and the p-type semiconductor layer 50 corresponding to the part are removed, and the n-type GaN contact layer 22 is The n-side electrode 70 is provided. For the n-side electrode 70, for example, a laminated structure of Ti / Pt / Au is used. On the other hand, a p-side electrode 80 is provided on the transparent electrode 60.
As described above, the semiconductor light emitting device 110 of this specific example according to the present embodiment is a light emitting diode (LED).

半導体発光素子１１０は、例えば以下のようにして製造できる。
まず、有機洗浄、酸洗浄した例えばｃ面サファイヤの基板１０を、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置の反応炉に導入し、反応炉のサセプタ上で約１１００℃に加熱する。これにより、基板１０の表面の酸化膜が除去される。 The semiconductor light emitting device 110 can be manufactured as follows, for example.
First, a substrate 10 of, for example, c-plane sapphire subjected to organic cleaning and acid cleaning is introduced into a reaction furnace of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus and heated to about 1100 ° C. on the susceptor of the reaction furnace. Thereby, the oxide film on the surface of the substrate 10 is removed.

次に、基板１０の主面（ｃ面）の上に、３０ｎｍの厚さでバッファ層１１を成長させる。さらに、バッファ層１１の上に、３マイクロメートル（μｍ）の厚さでアンドープのＧａＮ下地層２１を成長させる。さらに、ＧａＮ下地層２１の上に、２μｍの厚さで、ＳｉドープのＧａＮによるｎ形ＧａＮコンタクト層２２を成長させる。 Next, the buffer layer 11 is grown on the main surface (c-plane) of the substrate 10 to a thickness of 30 nm. Further, an undoped GaN foundation layer 21 is grown on the buffer layer 11 to a thickness of 3 micrometers (μm). Further, an n-type GaN contact layer 22 made of Si-doped GaN is grown on the GaN foundation layer 21 to a thickness of 2 μm.

次に、ｎ形ＧａＮコンタクト層２２の上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮである第１結晶層３１と、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮである第２結晶層３２と、を交互に３０周期積層し、積層体３０を形成する。 Next, on the n-type GaN contact layer 22, the first crystal layer 31 that is In _x Ga _1-x N and the second crystal layer 32 that is In _y Ga _1-y N are alternately cycled 30 times. The stacked body 30 is formed by stacking.

次に、積層体３０の上に、障壁層４１と井戸層４２とを交互に積層する。
さらに、最も上の障壁層４１の上に、Ａｌの組成比が０．００３で５ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ層を成長させ、この後、Ａｌの組成比が０．１で１０ｎｍの厚さのＭｇドープＡｌＧａＮ層５１と、８０ｎｍの厚さのＭｇドープｐ形ＧａＮ層５２(Ｍｇ濃度は２×１０¹⁹/ｃｍ^３)、及び、１０ｎｍ程度の厚さの高濃度ＭｇドープＧａＮ層５３(Ｍｇ濃度は１×１０²¹/ｃｍ³)をそれぞれ積層させる。この後、上記の結晶が成長した基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉から取り出す。 Next, the barrier layers 41 and the well layers 42 are alternately stacked on the stacked body 30.
Further, an AlGaN layer having an Al composition ratio of 0.003 and a thickness of 5 nm is grown on the uppermost barrier layer 41. Thereafter, an Al composition ratio of 0.1 and an Mg composition having a thickness of 10 nm is grown. A doped AlGaN layer 51, an Mg-doped p-type GaN layer 52 having a thickness of 80 nm (Mg concentration is 2 × 10 ¹⁹ / cm ³ ), and a high-concentration Mg-doped GaN layer 53 having a thickness of about 10 nm (Mg concentration is 1 × 10 ²¹ / cm ³ ) are laminated. Thereafter, the substrate 10 on which the crystal has grown is taken out of the reactor of the MOCVD apparatus.

次に、上記の多層膜構造の一部をｎ形ＧａＮコンタクト層２２の途中までドライエッチングして露出させ、この上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕのｎ側電極７０を形成する。また、高濃度ＭｇドープＧａＮ層５３の表面上に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）である透明電極６０を形成し、その一部に、例えば直径８０μｍのＮｉ／Ａｕによるｐ側電極８０を形成する。これにより、半導体発光素子１１０が作製される。 Next, a part of the multilayer structure is exposed by dry etching partway through the n-type GaN contact layer 22, and a Ti / Pt / Au n-side electrode 70 is formed thereon. Further, a transparent electrode 60 made of ITO (Indium Tin Oxide) is formed on the surface of the high-concentration Mg-doped GaN layer 53, and a p-side electrode 80 made of Ni / Au having a diameter of 80 μm, for example, is formed on a part thereof. Thereby, the semiconductor light emitting device 110 is manufactured.

なお、上記においては、成膜法としてＭＯＣＶＤ(有機金属気相)法を用いる例について説明したが、例えば分子線エピタキシ(ＭＢＥ)法やハライド気相成長(ＨＶＰＥ)法などの他の方法も適用可能である。 In the above description, an example using the MOCVD (metal organic vapor phase) method as the film forming method has been described. However, other methods such as a molecular beam epitaxy (MBE) method and a halide vapor phase growth (HVPE) method are also applicable. Is possible.

次に、発光層４０の多重量子井戸構造について説明する。
図１に表したように、発光層４０の多重量子井戸構造は、複数の障壁層４１（１）〜４１（ｎ）と、複数の井戸層４２（１）〜４２（ｎ）と、を有する。なお、符号に含まれる”ｎ”は層の番号に対応した２以上の整数である。 Next, the multiple quantum well structure of the light emitting layer 40 will be described.
As shown in FIG. 1, the multiple quantum well structure of the light emitting layer 40 includes a plurality of barrier layers 41 (1) to 41 (n) and a plurality of well layers 42 (1) to 42 (n). . Note that “n” included in the code is an integer of 2 or more corresponding to the layer number.

本明細書において、複数の障壁層４１（１）〜４１（ｎ）を区別せずに総称するときは障壁層４１といい、複数の井戸層４２（１）〜４２（ｎ）を区別せずに総称するときは井戸層４２ということにする。 In this specification, the plurality of barrier layers 41 (1) to 41 (n) are collectively referred to as the barrier layer 41, and the plurality of well layers 42 (1) to 42 (n) are not distinguished. Are collectively referred to as the well layer 42.

複数の障壁層４１は、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層５０に向けて第１番目の障壁層４１（１）、第２番目の障壁層４１（２）、…、第（ｎ−１）番目の障壁層４１（ｎ−１）、第ｎ番目の障壁層４１（ｎ）を有する。 The plurality of barrier layers 41 include a first barrier layer 41 (1), a second barrier layer 41 (2),..., (N−1) from the n-type semiconductor layer 20 toward the p-type semiconductor layer 50. ) Th barrier layer 41 (n-1) and nth barrier layer 41 (n).

複数の井戸層４２は、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層５０に向けて第１番目の井戸層４２（１）、第２番目の井戸層４２（２）、…、第（ｎ−１）番目の井戸層４２（ｎ−２）、第ｎ番目の井戸層４２（ｎ）を有する。 The plurality of well layers 42 include a first well layer 42 (1), a second well layer 42 (2),..., (N−1) from the n-type semiconductor layer 20 toward the p-type semiconductor layer 50. ) Th well layer 42 (n-2) and nth well layer 42 (n).

障壁層４１及び井戸層４２は、III族元素を含む。なお、障壁層４１及び井戸層４２には、微量のＡｌ等が含まれていてもよい。
井戸層４２には、例えばＩｎを含む窒化物半導体が用いられる。障壁層４１のバンドギャップエネルギは、井戸層４２のバンドギャップエネルギよりも大きい。 The barrier layer 41 and the well layer 42 contain a group III element. The barrier layer 41 and the well layer 42 may contain a trace amount of Al or the like.
For the well layer 42, for example, a nitride semiconductor containing In is used. The band gap energy of the barrier layer 41 is larger than the band gap energy of the well layer 42.

例えば、障壁層４１は、Ｉｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ（ｂ≧０）を含む。障壁層４１の厚さは、厚さｔ_ｂ（ナノメートル）である。障壁層４１の厚さｔ_ｂは、例えば１０ナノメートル（ｎｍ）以下である。
井戸層４２は、Ｉｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜１）を含む。井戸層４２の厚さは、厚さｔ_ｗ（ナノメートル）である。井戸層４２の厚さｔ_ｗは、例えば２．５ｎｍ以上６ｎｍ以下である。 For example, the barrier layer 41 includes In _b Ga _1-b N (b ≧ 0). The barrier layer 41 has a thickness t _b (nanometer). The thickness t _b of the barrier layer 41 is, for example, 10 nanometers (nm) or less.
The well layer 42 _includes _{In w Ga 1-w N (} 0 <w <1). The thickness of the well layer 42 is a thickness t _w (nanometer). The thickness _{t w} of the well layer 42 is, for example, 2.5nm or more 6nm or less.

ここで、井戸層４２のバンドギャップは、障壁層４１のバンドギャップよりも低い。これは、例えば、障壁層４１をＩｎ_ｂＧａ_１−ｂＮとし、井戸層４２をＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮとする系の場合であれば、ｂ＜ｗと等価である。 Here, the band gap of the well layer 42 is lower than the band gap of the barrier layer 41. This is equivalent to b <w, for example, in the case of a system in which the barrier layer 41 is In _b Ga _1-b N and the well layer 42 is In _w Ga _1-w N.

図３（ａ）〜（ｂ）は、発光層のＩｎ組成比のプロファイルを例示する図である。
図３（ａ）〜（ｂ）において、横軸は発光層４０の位置（厚さ方向の位置）を表し、縦軸はＩｎ組成比を表している。
図３（ａ）には、実施形態に係る半導体発光素子１１０での発光層４０のＩｎ組成比のプロファイル１１０Ｐの一部が示されている。
図３（ｂ）には、参考例に係る半導体発光素子１９０での発光層のＩｎ組成比のプロファイル１９０Ｐの一部が示されている。
いずれの図でも、説明を分かりやすくするため、２つの井戸層４２と、これら２つの井戸層４２の間に設けられた１つの障壁層４１と、のＩｎ組成比を表している。 FIGS. 3A to 3B are diagrams illustrating the In composition ratio profile of the light emitting layer.
3A to 3B, the horizontal axis represents the position of the light emitting layer 40 (position in the thickness direction), and the vertical axis represents the In composition ratio.
FIG. 3A shows a part of the In composition ratio profile 110P of the light emitting layer 40 in the semiconductor light emitting device 110 according to the embodiment.
FIG. 3B shows a part of the In composition ratio profile 190P of the light emitting layer in the semiconductor light emitting device 190 according to the reference example.
In any of the drawings, for easy understanding, the In composition ratio of the two well layers 42 and the one barrier layer 41 provided between the two well layers 42 is shown.

図３（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０のＩｎ組成のプロファイル１１０Ｐでは、障壁層４１のIII族元素中におけるＩｎの組成比は、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層５０に向かう方向（第１方向Ｄ１）に減少し、井戸層４２のIII族元素中におけるＩｎの組成比は、第１方向Ｄ１に増加する。 3A, in the In composition profile 110P of the semiconductor light emitting device 110 according to the embodiment, the In composition ratio in the group III element of the barrier layer 41 is from the n-type semiconductor layer 20 to the p-type. It decreases in the direction toward the semiconductor layer 50 (first direction D1), and the In composition ratio in the group III element of the well layer 42 increases in the first direction D1.

すなわち、１つの障壁層４１を、ｎ形半導体層２０側の第１部分４１１と、ｐ形半導体層５０側の第２部分４１２と、に分けた場合、第２部分４１２の厚さで平均したＩｎの組成比は、第１部分４１１の厚さで平均したＩｎの組成比よりも低くなる。
ここで、層の厚さで平均したＩｎの組成比を、平均Ｉｎ組成比ということにする。 That is, when one barrier layer 41 is divided into the first portion 411 on the n-type semiconductor layer 20 side and the second portion 412 on the p-type semiconductor layer 50 side, the thickness is averaged by the thickness of the second portion 412. The In composition ratio is lower than the In composition ratio averaged by the thickness of the first portion 411.
Here, the In composition ratio averaged by the layer thickness is referred to as an average In composition ratio.

障壁層４１のIII族元素中におけるＩｎの組成比が第１方向Ｄ１に減少すると、障壁層４１のバンドギャップは、ｎ形半導体層２０に近いほど小さく、ｐ形半導体層５０に近いほど大きくなる。つまり、１つの障壁層４１におけるバンドギャップは、第１方向Ｄ１に段階的に大きくなる。 When the composition ratio of In in the group III element of the barrier layer 41 decreases in the first direction D1, the band gap of the barrier layer 41 is smaller as it is closer to the n-type semiconductor layer 20 and larger as it is closer to the p-type semiconductor layer 50. . That is, the band gap in one barrier layer 41 increases stepwise in the first direction D1.

一方、１つの井戸層４２を、ｎ形半導体層２０側の第３部分４２３と、ｐ形半導体層５０側の第４部分４２４と、に分けた場合、第４部分４２４の平均Ｉｎ組成比は、第３部分４２３の平均Ｉｎ組成比よりも高くなる。 On the other hand, when one well layer 42 is divided into the third portion 423 on the n-type semiconductor layer 20 side and the fourth portion 424 on the p-type semiconductor layer 50 side, the average In composition ratio of the fourth portion 424 is , The average In composition ratio of the third portion 423 is higher.

井戸層４２のIII族元素中におけるＩｎの組成比が第１方向Ｄ１に増加すると、井戸層４２のバンドギャップは、ｎ形半導体層２０に近いほど大きく、ｐ形半導体層に近いほど小さくなる。つまり、１つの井戸層４２におけるバンドギャップは、第１方向Ｄ１に段階的に小さくなる。 When the composition ratio of In in the group III element of the well layer 42 increases in the first direction D1, the band gap of the well layer 42 increases as it approaches the n-type semiconductor layer 20 and decreases as it approaches the p-type semiconductor layer. That is, the band gap in one well layer 42 is reduced stepwise in the first direction D1.

上記のバンドギャップの段階的な変化は、例えば障壁層４１をＩｎ_ｂＧａ_１−ｂＮとし、井戸層４２をＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮとする系の場合であれば、障壁層４１のＩｎ組成比ｂを第１方向Ｄ１に段階的に小さくし、井戸層４２のＩｎ組成比ｗを第１方向Ｄ１に段階的に大きくすればよい。 For example, in the case of a system in which the barrier layer 41 is In _b Ga _1-b N and the well layer 42 is In _w Ga _1-w N, the band gap is changed stepwise. The composition ratio b may be decreased stepwise in the first direction D1, and the In composition ratio w of the well layer 42 may be increased stepwise in the first direction D1.

このように、障壁層４１におけるIII族元素中におけるＩｎの組成比を第１方向Ｄ１に減少させ、井戸層４２におけるIII族元素中におけるＩｎの組成比を第１方向Ｄ１に増加させることで発光層４０におけるバンド構造を変調し、発光層４０に電圧が印加された際のバンド構造を最適化する。これにより、電子とホールとの再結合確率やキャリアの注入効率の低下を抑制して、発光効率の向上を達成する。 Thus, light emission is achieved by decreasing the In composition ratio in the group III element in the barrier layer 41 in the first direction D1 and increasing the In composition ratio in the group III element in the well layer 42 in the first direction D1. The band structure in the layer 40 is modulated to optimize the band structure when a voltage is applied to the light emitting layer 40. As a result, the recombination probability between electrons and holes and the decrease in carrier injection efficiency are suppressed, and the emission efficiency is improved.

図３（ｂ）に表した参考例に係る半導体発光素子１９０のＩｎ組成比のプロファイル１９０Ｐでは、障壁層４１’及び井戸層４２’のいずれについても、第１方向Ｄ１に向かうＩｎ組成比が一定である。 In the In composition ratio profile 190P of the semiconductor light emitting device 190 according to the reference example shown in FIG. 3B, the In composition ratio toward the first direction D1 is constant for both the barrier layer 41 ′ and the well layer 42 ′. It is.

ここで、c軸方向に成長したウルツ鉱構造の窒化物半導体による量子井戸層において、層内に生じる内部電界は、ＬＥＤなどの発光素子の発光再結合やキャリアの注入効率を低下させる。これは、井戸層４２及び４２’を構成する結晶（例えば、ＩｎＧａＮ）の格子定数と、障壁層４１及び４１’を構成する結晶（例えば、井戸層４２’とは異なるＩｎ組成比のＩｎＧａＮ）の格子定数との不整合が発光層４０内の格子ひずみを生じさせ、これによってピエゾ電界が発生するためである。ピエゾ電界によって発光層４０のバンド構造が変調されると、電子とホールとの再結合確率やキャリアの注入効率を低下させる。
参考例に係る半導体発光素子１９０では、上記のピエゾ電界によるバンド構造の変調により、発光効率が低下する。 Here, in a quantum well layer made of a nitride semiconductor having a wurtzite structure grown in the c-axis direction, an internal electric field generated in the layer lowers light emission recombination and carrier injection efficiency of a light emitting element such as an LED. This is because the lattice constants of the crystals constituting the well layers 42 and 42 ′ (for example, InGaN) and the crystals constituting the barrier layers 41 and 41 ′ (for example, InGaN having an In composition ratio different from that of the well layers 42 ′). This is because the mismatch with the lattice constant causes lattice distortion in the light emitting layer 40, thereby generating a piezoelectric field. When the band structure of the light emitting layer 40 is modulated by the piezoelectric field, the recombination probability of electrons and holes and the carrier injection efficiency are lowered.
In the semiconductor light emitting device 190 according to the reference example, the light emission efficiency decreases due to the modulation of the band structure by the piezoelectric field.

これに対し、実施形態に係る半導体発光素子１１０では、図３（ａ）に表したように障壁層４１のＩｎ組成比及び井戸層４２のＩｎ組成比に、第１方向Ｄ１に変化を与えることで、発光層４０に電界が印加された際のバンド構造を、電子とホールとの再結合確率やキャリアの注入効率が高まるように最適化している。 On the other hand, in the semiconductor light emitting device 110 according to the embodiment, as shown in FIG. 3A, the In composition ratio of the barrier layer 41 and the In composition ratio of the well layer 42 are changed in the first direction D1. Thus, the band structure when an electric field is applied to the light emitting layer 40 is optimized so that the recombination probability between electrons and holes and the carrier injection efficiency are increased.

なお、複数の障壁層４１及び複数の井戸層４２が設けられたＭＱＷ構造において、図３（ａ）に表したような障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加するプロファイルは、複数の障壁層４１及び複数の井戸層４２の全てに適用しても、一部の障壁層４１及び一部の井戸層４２に適用してもよい。 In the MQW structure in which a plurality of barrier layers 41 and a plurality of well layers 42 are provided, the In composition ratio of the barrier layers 41 as shown in FIG. 3A decreases in the first direction D1, and the well layers 42 The profile in which the In composition ratio increases in the first direction D1 is applied to all of the plurality of barrier layers 41 and the plurality of well layers 42, but is applied to some of the barrier layers 41 and some of the well layers 42. May be.

次に、実施形態に係る半導体発光素子１１０の障壁層４１及び井戸層４２の具体例について説明する。
なお、発光層４０は、複数の障壁層４１と、複数の井戸層４２と、を有するが、説明を簡単にするために、複数の障壁層４１のそれぞれにおける平均Ｉｎ組成比は互いに同じであり、複数の障壁層４１の厚さも互いに同じである場合として説明する。また、同様に、複数の井戸層４２のそれぞれにおける平均Ｉｎ組成比は互いに同じであり、複数の井戸層４２の厚さも互いに同じであるとして説明する。 Next, specific examples of the barrier layer 41 and the well layer 42 of the semiconductor light emitting device 110 according to the embodiment will be described.
The light emitting layer 40 includes a plurality of barrier layers 41 and a plurality of well layers 42. However, in order to simplify the description, the average In composition ratio in each of the plurality of barrier layers 41 is the same. The case where the thicknesses of the plurality of barrier layers 41 are also the same as each other will be described. Similarly, the average In composition ratio in each of the plurality of well layers 42 is the same, and the thickness of the plurality of well layers 42 is also the same.

具体例に係る半導体発光素子１１０においては、障壁層４１の厚さｔ_ｂは、１０ｎｍ以下と薄くする。これにより、ｐ形半導体層５０から注入されるホールが効率的に発光層４０に効率的に供給され、半導体発光素子１１０の発光効率が高まる。また、半導体発光素子１１０の動作電圧は、実用上要求されている程度に低下する。 In the semiconductor light emitting device 110 according to the specific example, the thickness t _b of the barrier layer 41 is as thin as 10 nm or less. Thereby, holes injected from the p-type semiconductor layer 50 are efficiently supplied to the light emitting layer 40, and the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device 110 is increased. In addition, the operating voltage of the semiconductor light emitting device 110 is reduced to a practically required level.

本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、井戸層４２の厚さｔ_ｗは、厚いほどよく、望ましくは３ｎｍ以上とし、より好ましくは４ｎｍ以上とする。 In the semiconductor light emitting device 110 according to this embodiment, the thickness t _w of the well layer 42 is thicker well, preferably not less than 3 nm, more preferably at least 4 nm.

本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、１つの障壁層４１におけるｎ形半導体層２０側の界面でのＩｎ組成比をｂｎとし、障壁層４１のｐ形半導体層５０側の界面でのＩｎ組成比をｂｐとしたとき、ｂｎを０．０２以上とすることが望ましく、より好ましくは０．０４程度である。 In the semiconductor light emitting device 110 according to this embodiment, the In composition ratio at the interface of the barrier layer 41 on the n-type semiconductor layer 20 side is bn, and the In composition at the interface of the barrier layer 41 on the p-type semiconductor layer 50 side. When the ratio is bp, bn is desirably 0.02 or more, and more preferably about 0.04.

１つの障壁層４１では、第１方向Ｄ１に向かって、このＩｎ組成比ｂを段階的に減少させる。なお、ｐ形半導体層５０側の界面におけるＩｎ組成比ｂｐは０．００にすることが望ましい。Ｉｎ組成比ｂｐが低いほど、障壁層４１の結晶性を劣化させずに発光効率の向上が達成される。
また、Ｉｎ組成比ｂｎとＩｎ組成比ｂｐとの差の絶対値（Δｂ）は、例えば０．０２よりも大きく、０．０６よりも小さいことが好ましく、より好ましくは０．０４程度である。 In one barrier layer 41, the In composition ratio b is decreased stepwise in the first direction D1. The In composition ratio bp at the interface on the p-type semiconductor layer 50 side is preferably set to 0.00. As the In composition ratio bp is lower, the light emission efficiency is improved without deteriorating the crystallinity of the barrier layer 41.
The absolute value (Δb) of the difference between the In composition ratio bn and the In composition ratio bp is, for example, larger than 0.02, preferably smaller than 0.06, and more preferably about 0.04.

本実施形態に係る半導体発光素子１１０において、１つの井戸層４２（例えば、障壁層４１のｐ形半導体層５０側に隣り合う井戸層４２）におけるｎ形半導体層２０側の界面でのＩｎ組成比をｗｎとし、井戸層４２のｐ形半導体層５０側の界面でのＩｎ組成比をｗｐとしたとき、青色に発光するＬＥＤであれば、Ｉｎ組成比ｗｎを０.１０以下とすることが望ましく、より好ましくは０．０６程度である。 In the semiconductor light emitting device 110 according to the present embodiment, the In composition ratio at the interface on the n-type semiconductor layer 20 side in one well layer 42 (for example, the well layer 42 adjacent to the barrier layer 41 on the p-type semiconductor layer 50 side). , And the In composition ratio at the interface of the well layer 42 on the p-type semiconductor layer 50 side is wp, the In composition ratio wn is desirably 0.10 or less if the LED emits blue light. More preferably, it is about 0.06.

１つの井戸層４２では、第１方向Ｄ１に向かって、このＩｎ組成比ｗを段階的に増加させる。なお、ｐ形半導体層５０側の界面におけるＩｎ組成比ｗｐを０．１４以上にすることが望ましく、より望ましくは０．１８程度である。このような組成比変調を施すことにより、井戸層４２の結晶性を劣化させずに発光効率の向上を図る。
また、Ｉｎ組成比ｗｎとＩｎ組成比ｗｐとの差の絶対値（Δｗ）は、例えば０．０４よりも大きく０．１２よりも小さいことが望ましく、より好ましく０．０６以上、さらに好ましくは０．１０程度である。 In one well layer 42, the In composition ratio w is increased stepwise in the first direction D1. Note that the In composition ratio wp at the interface on the p-type semiconductor layer 50 side is desirably 0.14 or more, and more desirably about 0.18. By performing such composition ratio modulation, the light emission efficiency is improved without deteriorating the crystallinity of the well layer 42.
Further, the absolute value (Δw) of the difference between the In composition ratio wn and the In composition ratio wp is desirably, for example, larger than 0.04 and smaller than 0.12, more preferably 0.06 or more, and still more preferably 0. .10 or so.

上記のような、障壁層４１の厚さ及びＩｎ組成比の段階的な変化と、井戸層４２の厚さ及びＩｎ組成比の段階的な変化と、によって生ずる相補的なエネルギーバンドの構成によって、半導体発光素子１１０の高発光効率が実現される。 By the configuration of the complementary energy band generated by the step change in the thickness and In composition ratio of the barrier layer 41 and the step change in the thickness and In composition ratio of the well layer 42 as described above, High luminous efficiency of the semiconductor light emitting device 110 is realized.

図４（ａ）〜（ｄ）は、エネルギーバンド図及びキャリア濃度分布を例示する図である。
図４（ａ）〜（ｄ）のいずれの図においても、横軸は位置（厚さ方向の位置）を表している。図４（ａ）〜（ｄ）の横軸では、ｐ形半導体層５０側の３つの井戸層４２（ｎ）、４２（ｎ−１）及び４２（ｎ−２）と、これらの間の２つの障壁層４１（ｎ）及び４１（ｎ−１）を含む一部の位置が示されている。
また、図４（ａ）は伝導体のエネルギーバンド図、図４（ｂ）は価電子帯のエネルギーバンド図、図４（ｃ）は電子の濃度、図４（ｄ）はホールの濃度を示している。
図４（ａ）〜（ｄ）においては、それぞれ、図３（ａ）に表した本実施形態に係る半導体発光素子１１０のＩｎ組成比のプロファイル１１０Ｐの場合と、図３（ｂ）に表した参考例に係る半導体発光素子１９０のＩｎ組成のプロファイル１９０Ｐの場合と、を示している。 4A to 4D are diagrams illustrating energy band diagrams and carrier concentration distributions.
In any of FIGS. 4A to 4D, the horizontal axis represents the position (position in the thickness direction). 4A to 4D, three well layers 42 (n), 42 (n-1) and 42 (n-2) on the p-type semiconductor layer 50 side, and 2 between them are shown. Some locations are shown including two barrier layers 41 (n) and 41 (n-1).
4A shows the energy band diagram of the conductor, FIG. 4B shows the energy band diagram of the valence band, FIG. 4C shows the electron concentration, and FIG. 4D shows the hole concentration. ing.
4A to 4D, the In composition ratio profile 110P of the semiconductor light emitting device 110 according to this embodiment shown in FIG. 3A and the case shown in FIG. 3B, respectively. The case of the profile 190P of In composition of the semiconductor light emitting device 190 according to the reference example is shown.

なお、本実施形態に係る半導体発光素子１１０のＩｎ組成比のプロファイル１１０Ｐとしては、井戸層４２のＩｎ組成比ｗｎ＝０．１０、Ｉｎ組成比ｗｐ＝０．１８、すなわちΔｗ＝０．０８、障壁層４１のＩｎ組成比ｂｐ＝０．００、Ｉｎ組成比ｂｎ＝０．０４、すなわちΔｂ＝０．０４である。また、井戸層４２の厚さｔ_ｗは３ｎｍ、障壁層４１の厚さｔ_ｂは５ｎｍである。 As the In composition ratio profile 110P of the semiconductor light emitting device 110 according to the present embodiment, the In composition ratio wn = 0.10 of the well layer 42, the In composition ratio wp = 0.18, that is, Δw = 0.08, The In composition ratio bp = 0.00 and the In composition ratio bn = 0.04 of the barrier layer 41, that is, Δb = 0.04. The thickness _{t w} of the well layer 42 is 3 nm, the thickness _{t b} of the barrier layer 41 is 5 nm.

また、参考例に係る半導体発光素子１９０のＩｎ組成比のプロファイル１９０Ｐとしては、井戸層４２’のＩｎ組成比ｗ＝０．１３、障壁層４１’のＩｎ組成比ｂ＝０．００である。また、井戸層４２’の厚さｔ_ｗは３ｎｍ、障壁層４１の厚さｔ_ｂは５ｎｍである。 Further, the In composition ratio profile 190P of the semiconductor light emitting device 190 according to the reference example is the In composition ratio w = 0.13 of the well layer 42 ′ and the In composition ratio b = 0.00 of the barrier layer 41 ′. The thickness _{t w} of the well layer 42 'is 3 nm, the thickness _{t b} of the barrier layer 41 is 5 nm.

図４（ａ）及び（ｂ）に表したように、参考例に係るＩｎ組成のプロファイル１９０Ｐを適用した場合に比べて、本実施形態に係るＩｎ組成のプロファイル１１０Ｐを適用すると、伝導体及び価電子帯のそれぞれのエネルギーバンド図に変化が生じる。
特に、図４（ｂ）に表した価電子帯のエネルギーバンド図に大きな変化が現れている。本実施形態に係るＩｎ組成のプロファイル１１０Ｐを適用することにより、内部電界による発光層４０での価電子帯の変調が抑制される。すなわち、障壁層４１及び井戸層４２のＩｎ組成比の互いの増減によって価電子帯のエネルギーバンド図が矩形状になる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, when the In composition profile 110P according to the present embodiment is applied as compared to the case where the In composition profile 190P according to the reference example is applied, the conductor and the valence are reduced. A change occurs in each energy band diagram of the electron band.
In particular, a large change appears in the energy band diagram of the valence band shown in FIG. By applying the In composition profile 110P according to the present embodiment, modulation of the valence band in the light emitting layer 40 due to the internal electric field is suppressed. That is, the energy band diagram of the valence band becomes rectangular due to the mutual increase / decrease in the In composition ratio of the barrier layer 41 and the well layer 42.

これによって、図４（ｄ）に表したように、井戸層４２と障壁層４１との界面でのホールの局在が抑制される。また、井戸層４２と障壁層４１とで電子とホールとの空間的な解離が抑制される。さらに、ホールのｎ形半導体層２０側の井戸層４２への注入効率が増大する。これらの結果によって、本実施形態に係る半導体発光素子１１０では、参考例に係る半導体発光素子１９０に比べて、飛躍的に発光効率が高まる。 As a result, as shown in FIG. 4D, the localization of holes at the interface between the well layer 42 and the barrier layer 41 is suppressed. Further, the spatial dissociation of electrons and holes is suppressed by the well layer 42 and the barrier layer 41. Furthermore, the efficiency of injection of holes into the well layer 42 on the n-type semiconductor layer 20 side is increased. Based on these results, the light emitting efficiency of the semiconductor light emitting device 110 according to the present embodiment is dramatically increased as compared with the semiconductor light emitting device 190 according to the reference example.

以下、上記のような条件を見いだす基となった検討結果について説明する。
この検討では、発光層４０の構成（障壁層４１の厚さやＩｎ組成比の変調のさせ方、井戸層４２の厚さやＩｎ組成比の変調のさせ方）を変えて半導体発光素子を構成し、その各場合の内部量子効率を比較する。 In the following, the examination results that serve as the basis for finding the above conditions will be described.
In this examination, the semiconductor light emitting device is configured by changing the configuration of the light emitting layer 40 (the thickness of the barrier layer 41 and the modulation of the In composition ratio, the thickness of the well layer 42 and the modulation of the In composition ratio), The internal quantum efficiency in each case is compared.

（実施例）
実施例に係る半導体発光素子１１１において、障壁層４１と井戸層４２との数は８周期である。
半導体発光素子１１１において、障壁層４１のｎ形半導体層２０側の界面のＩｎの組成比ｂｎは０．０４であり、ｐ形半導体層５０側の界面のＩｎ組成比ｂｐは０．００であり、層内のＩｎ組成比は線形に変化する。 (Example)
In the semiconductor light emitting device 111 according to the example, the number of the barrier layers 41 and the well layers 42 is eight periods.
In the semiconductor light emitting device 111, the In composition ratio bn at the interface on the n-type semiconductor layer 20 side of the barrier layer 41 is 0.04, and the In composition ratio bp at the interface on the p-type semiconductor layer 50 side is 0.00. The In composition ratio in the layer changes linearly.

また、半導体発光素子１１１において、井戸層４２のｎ形半導体層２０側の界面のＩｎ組成比ｗｎは０．０８であり、ｐ形半導体層５０側の界面のＩｎ組成比ｗｐは０．１８であり、層内のＩｎ組成比は線形に変化する。 In the semiconductor light emitting device 111, the In composition ratio wn at the interface on the n-type semiconductor layer 20 side of the well layer 42 is 0.08, and the In composition ratio wp at the interface on the p-type semiconductor layer 50 side is 0.18. Yes, the In composition ratio in the layer changes linearly.

また、参考例に係る半導体発光素子１９１において、障壁層４１’と井戸層４２’との数は８周期である。参考例に係る半導体発光素子１９１では、障壁層４１’のＩｎ組成比ｂは０．００で層内で一定(すなわちＧａＮ)であり、井戸層４２’のＩｎ組成比ｗは０．１３で層内で一定（すなわちＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ）である。 In the semiconductor light emitting device 191 according to the reference example, the number of the barrier layers 41 ′ and the well layers 42 ′ is 8 periods. In the semiconductor light emitting device 191 according to the reference example, the In composition ratio b of the barrier layer 41 ′ is 0.00 and constant in the layer (that is, GaN), and the In composition ratio w of the well layer 42 ′ is 0.13. (Ie, In _0.13 Ga _0.87 N).

半導体発光素子１１０及び１９０のいずれにおいても、障壁層４１の厚さｔ_ｂは５ｎｍで一定であり、井戸層４２の厚さｔ_ｗは３ｎｍで一定である。 In any of the semiconductor light emitting device 110 and 190 also, the thickness _{t b} of the barrier layer 41 is constant at 5 nm, the thickness _{t w} of the well layer 42 is constant at 3 nm.

図５は、半導体発光素子に関する検討結果を例示する図である。
図５では、横軸に電流Ｉ（アンペア：Ａ）、縦軸に内部量子効率ＱＥを表している。
図５には、実施形態に係る半導体発光素子１１１の内部量子効率と、参考例に係る半導体発光素子１９１の内部量子効率が表示されている。
なお、図５において、内部量子効率は、参考例に係る半導体発光素子１９１での内部量子効率のピークトップの値を１とした相対値で表示されている。 FIG. 5 is a diagram illustrating a study result regarding the semiconductor light emitting element.
In FIG. 5, the horizontal axis represents current I (ampere: A), and the vertical axis represents internal quantum efficiency QE.
FIG. 5 shows the internal quantum efficiency of the semiconductor light emitting device 111 according to the embodiment and the internal quantum efficiency of the semiconductor light emitting device 191 according to the reference example.
In FIG. 5, the internal quantum efficiency is displayed as a relative value where the peak top value of the internal quantum efficiency in the semiconductor light emitting device 191 according to the reference example is 1.

図５に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１１の内部量子効率は、参考例に係る半導体発光素子１９１の内部量子効率に比べて明らかに上昇することがわかる。 As shown in FIG. 5, it can be seen that the internal quantum efficiency of the semiconductor light emitting device 111 according to the embodiment is clearly higher than the internal quantum efficiency of the semiconductor light emitting device 191 according to the reference example.

図６（ａ）〜（ｂ）は、３次元アトムプローブによるＩｎ組成比の分析結果の一例を示す図である。
図６（ａ）〜（ｂ）に示す横軸は位置、縦軸はＩｎ組成比である。
図６（ａ）〜（ｂ）には、第ｎ番目の井戸層４２（ｎ）、第ｎ番目の障壁層４１（ｎ）及び第（ｎ−１）番目の井戸層４２（ｎ−１）のＩｎ組成比が表されている。 FIGS. 6A to 6B are diagrams showing an example of the analysis result of the In composition ratio by the three-dimensional atom probe.
The horizontal axis shown in FIGS. 6A to 6B is the position, and the vertical axis is the In composition ratio.
6A to 6B, the nth well layer 42 (n), the nth barrier layer 41 (n), and the (n-1) th well layer 42 (n-1) are shown. The In composition ratio is expressed.

図６（ａ）には、井戸層４２（Ｉｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ）のＩｎ組成比ｗを第１方向Ｄ１に増加させた例が示されている。この例では、第ｎ番目の井戸層４２（ｎ）のＩｎ組成比ｗは、第１方向Ｄ１に０．０８から０．１２に増加している。 In FIGS. 6 (a) is an example in which the In composition ratio w of the well layer _{_{42 (In w Ga 1-w}} N) is increased in the first direction D1 is shown. In this example, the In composition ratio w of the nth well layer 42 (n) increases from 0.08 to 0.12 in the first direction D1.

図６（ｂ）には、障壁層４１（Ｉｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ）のＩｎ組成比ｂを第１方向Ｄ１に減少させ、井戸層４２（Ｉｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ）のＩｎ組成比ｗを第１方向Ｄ１に増加させた例である。この例では、第ｎ番目の障壁層４１（ｎ）のＩｎ組成比ｂは、第１方向Ｄ１に０．０７から０．０３に減少し、第ｎ番目の井戸層４２（ｎ）のＩｎ組成比ｗは、第１方向Ｄ１に０．１４から０．１６に増加している。 In FIG. 6B, the In composition ratio b of the barrier layer 41 (In _b Ga _1-b N) is decreased in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 (In _w Ga _1-w N) is shown. In this example, w is increased in the first direction D1. In this example, the In composition ratio b of the nth barrier layer 41 (n) decreases from 0.07 to 0.03 in the first direction D1, and the In composition of the nth well layer 42 (n). The ratio w increases from 0.14 to 0.16 in the first direction D1.

図６（ａ）及び（ｂ）に表したように、障壁層４１のＩｎ組成比ｂ及び井戸層４２のＩｎ組成比ｗは、微小な増減を含みながら減少または増加する。実施形態において、障壁層４１のＩｎ組成比ｂが減少すること、及び井戸層４２のＩｎ組成比ｗが増加することには、このような微小な増減を含む減少または増加も含まれる。 As shown in FIGS. 6A and 6B, the In composition ratio b of the barrier layer 41 and the In composition ratio w of the well layer 42 decrease or increase while including a slight increase / decrease. In the embodiment, the decrease of the In composition ratio b of the barrier layer 41 and the increase of the In composition ratio w of the well layer 42 include a decrease or increase including such a minute increase / decrease.

図７（ａ）〜図８（ｂ）は、井戸層のＩｎ組成比の変化によるエネルギーバンド図の変化について示す図である。 FIG. 7A to FIG. 8B are diagrams showing changes in the energy band diagram due to changes in the In composition ratio of the well layers.

図７（ａ）には、井戸層４２のＩｎ組成比ｗｎ＝０．１１、Ｉｎ組成比ｗｐ＝０．１５、すなわちΔｗ＝０．０４、障壁層４１のＩｎ組成比ｂｐ＝０．００、Ｉｎ組成比ｂｎ＝０．０４、すなわちΔｂ＝０．０４の場合のＩｎ組成比のプロファイルが表されている。なお、井戸層４２の厚さｔ_ｗは３ｎｍ、障壁層４１の厚さｔ_ｂは５ｎｍである。 7A, the In composition ratio wn = 0.11 of the well layer 42, the In composition ratio wp = 0.15, that is, Δw = 0.04, the In composition ratio bp = 0.00 of the barrier layer 41, A profile of In composition ratio in the case of In composition ratio bn = 0.04, that is, Δb = 0.04 is shown. The thickness _{t w} of the well layer 42 is 3 nm, the thickness _{t b} of the barrier layer 41 is 5 nm.

図７（ｂ）には、図７（ａ）に表したＩｎ組成比のプロファイルでの価電子帯のエネルギーバンド図が表されている。なお、図７（ｂ）では、発光層４０に流れる電流量を変化させた場合のエネルギーバンド図が表されている。電流量Ｊ１は７４Ａ／ｃｍ^２、電流量Ｊ２は１８４Ａ／ｃｍ^２、電流量Ｊ３は２８０Ａ／ｃｍ^２である。 FIG. 7B shows an energy band diagram of the valence band in the profile of the In composition ratio shown in FIG. FIG. 7B shows an energy band diagram when the amount of current flowing through the light emitting layer 40 is changed. The current amount J1 is 74 A / cm ² , the current amount J2 is 184 A / cm ² , and the current amount J3 is 280 A / cm ² .

図７（ａ）及び（ｂ）に表したように、電流量Ｊ１〜Ｊ３の変化によるエネルギーバンド図の変化は少ない。一方、Ｉｎ組成比の差Δｗが０．０４の場合には、価電子帯のエネルギーバンド図は矩形状にならない。 As shown in FIGS. 7A and 7B, the change in the energy band diagram due to the change in the current amounts J1 to J3 is small. On the other hand, when the In composition ratio difference Δw is 0.04, the energy band diagram of the valence band does not become rectangular.

図８（ａ）には、井戸層４２のＩｎ組成比ｗｎ＝０．０７、Ｉｎ組成比ｗｐ＝０．１９、すなわちΔｗ＝０．１２、障壁層４１のＩｎ組成比ｂｐ＝０．００、Ｉｎ組成比ｂｎ＝０．０４、すなわちΔｂ＝０．０４の場合のＩｎ組成比のプロファイルが表されている。なお、井戸層４２の厚さｔ_ｗは３ｎｍ、障壁層４１の厚さｔ_ｂは５ｎｍである。 8A, the In composition ratio wn = 0.07 of the well layer 42, the In composition ratio wp = 0.19, that is, Δw = 0.12, the In composition ratio bp = 0.00 of the barrier layer 41, A profile of In composition ratio in the case of In composition ratio bn = 0.04, that is, Δb = 0.04 is shown. The thickness _{t w} of the well layer 42 is 3 nm, the thickness _{t b} of the barrier layer 41 is 5 nm.

図８（ｂ）には、図８（ａ）に表したＩｎ組成比のプロファイルでの価電子帯のエネルギーバンド図が表されている。なお、図８（ｂ）では、発光層４０に流れる電流量を変化させた場合のエネルギーバンド図が表されている。電流量Ｊ４は８２Ａ／ｃｍ^２、電流量Ｊ５は１７６Ａ／ｃｍ^２、電流量Ｊ３は２６８Ａ／ｃｍ^２である。 FIG. 8B shows an energy band diagram of the valence band in the profile of the In composition ratio shown in FIG. FIG. 8B shows an energy band diagram when the amount of current flowing through the light emitting layer 40 is changed. The current amount J4 is 82 A / cm ² , the current amount J5 is 176 A / cm ² , and the current amount J3 is 268 A / cm ² .

図８（ａ）及び（ｂ）に表したように、電流量Ｊ４〜Ｊ６の変化によるエネルギーバンド図の変化は少ない。一方、Ｉｎ組成比の差Δｗが０．１２の場合には、価電子帯のエネルギーバンド図は矩形状にならない。 As shown in FIGS. 8A and 8B, the change in the energy band diagram due to the change in the current amounts J4 to J6 is small. On the other hand, when the In composition ratio difference Δw is 0.12, the energy band diagram of the valence band is not rectangular.

図４（ａ）〜（ｄ）に表した本実施形態に係る半導体発光素子１１０では、Ｉｎ組成比の差Δｗが０．０８である。すなわち、半導体発光素子１１０におけるＩｎ組成比の差Δｗは、図７（ａ）〜（ｂ）に表したＩｎ組成比の差Δｗと、図８（ａ）〜（ｂ）に表したＩｎ組成比の差Δｗと、の間である。
この場合には、図４（ｃ）に表したように、価電子帯のエネルギーバンド図は矩形状になる。
上記の結果から、井戸層４２のＩｎ組成比の差Δｗは、０．０４よりも大きく、０．１２よりも小さいことが望ましいことが分かる。 In the semiconductor light emitting device 110 according to this embodiment shown in FIGS. 4A to 4D, the In composition ratio difference Δw is 0.08. That is, the In composition ratio difference Δw in the semiconductor light emitting device 110 is equal to the In composition ratio difference Δw illustrated in FIGS. 7A and 7B and the In composition ratio illustrated in FIGS. Difference Δw.
In this case, as shown in FIG. 4C, the energy band diagram of the valence band is rectangular.
From the above results, it can be seen that the In composition ratio difference Δw of the well layer 42 is desirably larger than 0.04 and smaller than 0.12.

図９（ａ）〜（ｄ）は、Ｉｎ組成比の増減のプロファイルを例示する模式図である。
本実施形態に係る半導体発光素子１１０では、障壁層４１のＩｎ組成比は第１方向Ｄ１に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比は第１方向Ｄ１に増加する。
図９（ａ）〜（ｄ）では、このＩｎ組成比の増減の例を模式的に表している。 FIGS. 9A to 9D are schematic views illustrating profiles of increase / decrease in the In composition ratio.
In the semiconductor light emitting device 110 according to the present embodiment, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 increases in the first direction D1.
9A to 9D schematically show examples of the increase / decrease in the In composition ratio.

図９（ａ）に表したＩｎ組成比の増減のプロファイルでは、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に曲線的に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に曲線的に増加する例である。
図９（ｂ）に表したＩｎ組成比の増減のプロファイルでは、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に階段状に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に階段状に増加する例である。 In the In composition ratio increase / decrease profile shown in FIG. 9A, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases in a curve in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 curves in the first direction D1. This is an example of the increase.
In the In composition ratio increase / decrease profile shown in FIG. 9B, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases stepwise in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 steps in the first direction D1. It is an example which increases in a shape.

図９（ｃ）に表したＩｎ組成比の増減のプロファイルでは、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に微小な増減を繰り返しながら減少し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に微小な増減を繰り返しながら増加する例である。
図９（ｄ）に表したＩｎ組成比の増減のプロファイルでは、障壁層４１及び井戸層４２の境界位置において、Ｉｎ組成比の変化に鈍りが生じている例である。 In the profile of the increase / decrease in the In composition ratio shown in FIG. 9C, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases while repeating a slight increase / decrease in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 increases in the first direction. In this example, D1 is increased while being repeatedly increased and decreased.
The profile of increase / decrease in the In composition ratio shown in FIG. 9D is an example in which the change in the In composition ratio is dull at the boundary position between the barrier layer 41 and the well layer 42.

上記図９（ａ）〜（ｄ）に表したいずれの例でも、障壁層４１のＩｎ組成比は第１方向Ｄ１に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比は第１方向Ｄ１に増加することに含まれる。
なお、Ｉｎ組成比の増減のプロファイルは上記以外であってもよい。また、図９（ａ）〜（ｄ）のプロファイルを適宜組み合わせたものであってもよい。 In any of the examples shown in FIGS. 9A to 9D, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 increases in the first direction D1. include.
The profile of increase / decrease in the In composition ratio may be other than the above. Moreover, what combined the profile of Fig.9 (a)-(d) suitably may be used.

図１０（ａ）〜（ｈ）は、障壁層及び井戸層のＩｎ組成比の傾斜の組合せ例を示す模式図である。
図１０（ａ）〜（ｈ）では、縦軸にＩｎ組成比、横軸に位置を表している。なお、これらの図では、説明を分かりやすくするために、障壁層４１及び井戸層４２のそれぞれ１つずつのＩｎ組成比のプロファイルを表している。 FIGS. 10A to 10H are schematic diagrams illustrating examples of combinations of gradients in the In composition ratio of the barrier layer and the well layer.
10A to 10H, the vertical axis represents the In composition ratio and the horizontal axis represents the position. In these drawings, in order to make the explanation easy to understand, each of the In composition ratio profiles of the barrier layer 41 and the well layer 42 is shown.

図１０（ａ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が一定、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加する例である。図１０（ａ）に表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ａ）とする。 In the example of the gradient of the In composition ratio shown in FIG. 10A, the In composition ratio of the barrier layer 41 is constant and the In composition ratio of the well layer 42 increases in the first direction D1. The profile of In composition ratio shown in FIG. 10A is P (a).

図１０（ｂ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が一定、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に減少する例である。図１０（ｂ）に表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ｂ）とする。 The example of the gradient of the In composition ratio shown in FIG. 10B is an example in which the In composition ratio of the barrier layer 41 is constant and the In composition ratio of the well layer 42 decreases in the first direction D1. A profile of the In composition ratio shown in FIG. 10B is P (b).

図１０（ｃ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加し、井戸層４２のＩｎ組成比が一定の例である。図１０（ｃ）に表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ｃ）とする。 In the example of the gradient of the In composition ratio shown in FIG. 10C, the In composition ratio of the barrier layer 41 increases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 is constant. The profile of In composition ratio shown in FIG. 10C is P (c).

図１０（ｄ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比が一定の例である。図１０（ｄ）に表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ｄ）とする。 In the example of the gradient of the In composition ratio shown in FIG. 10D, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 is constant. The profile of the In composition ratio shown in FIG. 10D is P (d).

図１０（ｅ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加する例である。図１０（ｅ）に表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ｅ）とする。 In the example of the gradient of the In composition ratio shown in FIG. 10E, the In composition ratio of the barrier layer 41 increases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 increases in the first direction D1. It is. A profile of the In composition ratio shown in FIG. 10E is P (e).

図１０（ｆ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加する例である。図１０（ｆ）表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ｆ）とする。
プロファイルＰ（ｆ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０のＩｎ組成比のプロファイルである。 In the example of the gradient of the In composition ratio shown in FIG. 10F, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 increases in the first direction D1. It is. The profile of In composition ratio shown in FIG.
The profile P (f) is a profile of the In composition ratio of the semiconductor light emitting device 110 according to this embodiment.

図１０（ｇ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に減少する例である。図１０（ｇ）に表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ｇ）とする。 In the example of the gradient of the In composition ratio shown in FIG. 10G, the In composition ratio of the barrier layer 41 increases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 decreases in the first direction D1. It is. The profile of the In composition ratio shown in FIG. 10 (g) is P (g).

図１０（ｈ）に表したＩｎ組成比の傾斜の例においては、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に減少し、井戸層４２のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に減少する例である。図１０（ｈ）に表したＩｎ組成比のプロファイルをＰ（ｈ）とする。 In the example of the In composition ratio gradient shown in FIG. 10H, the In composition ratio of the barrier layer 41 decreases in the first direction D1, and the In composition ratio of the well layer 42 decreases in the first direction D1. It is. The profile of In composition ratio shown in FIG. 10 (h) is P (h).

図１１は、内部量子効率を例示する図である。
図１１では、図１０（ａ）〜（ｈ）に表したＩｎ組成比のプロファイルＰ（ａ）〜Ｐ（ｈ）に対応した内部量子効率ＩＱＥをシミュレーション計算した結果を表している。 FIG. 11 is a diagram illustrating the internal quantum efficiency.
FIG. 11 shows the result of simulation calculation of the internal quantum efficiency IQE corresponding to the In composition ratio profiles P (a) to P (h) shown in FIGS.

この内部量子効率の計算では、障壁層４１の厚さｔｂを５ｎｍ、井戸層４２の厚さｔｗを２．９ｎｍとした。また、障壁層４１のＩｎ組成比に傾斜がある場合のＩｎ組成比は０．００から０．０４（差Δｂ＝０．０４）、井戸層４２のＩｎ組成比に傾斜がある場合のＩｎ組成比は０．０８〜０．１６（差Δｗ＝０．０８）である。
いずれも、８層の障壁層４１及び井戸層４２を積層し、８層全ての障壁層４１及び井戸層４２について、図１０（ａ）〜（ｈ）に表したＩｎ組成比のプロファイルとした。 In the calculation of the internal quantum efficiency, the thickness tb of the barrier layer 41 is 5 nm, and the thickness tw of the well layer 42 is 2.9 nm. The In composition ratio when the In composition ratio of the barrier layer 41 is inclined is 0.00 to 0.04 (difference Δb = 0.04), and the In composition ratio when the In composition ratio of the well layer 42 is inclined. The ratio is 0.08 to 0.16 (difference Δw = 0.08).
In any case, eight barrier layers 41 and well layers 42 were stacked, and all the eight barrier layers 41 and well layers 42 had the In composition ratio profiles shown in FIGS.

図１１に表したように、８つのプロファイルＰ（ａ）〜Ｐ（ｈ）の内部量子効率としては、本実施形態に係る半導体発光素子１１０のＩｎ組成比のプロファイルＰ（ｆ）が最もよい。 As shown in FIG. 11, the profile P (f) of the In composition ratio of the semiconductor light emitting device 110 according to the present embodiment is the best as the internal quantum efficiency of the eight profiles P (a) to P (h).

ここで、プロファイルＰ（ｅ）も、プロファイルＰ（ｆ）と同様な内部量子効率を得ている。しかし、図１０（ｅ）に表したプロファイルＰ（ｅ）のように、障壁層４１のＩｎ組成比が第１方向Ｄ１に増加する構成では、障壁層４１の第１方向Ｄ１に隣接する井戸層４２側のＩｎ組成比が高くなる。このため、この障壁層４１の上に積層される井戸層４２の結晶性に劣化が発生しやすい。
したがって、内部量子効率及び結晶性ともに良好な本実施形態に係る半導体発光素子１１０のＩｎ組成比のプロファイルであるプロファイルＰ（ｆ）が最適である。 Here, the profile P (e) also has the same internal quantum efficiency as the profile P (f). However, in the configuration in which the In composition ratio of the barrier layer 41 increases in the first direction D1 as in the profile P (e) illustrated in FIG. 10E, the well layer adjacent to the barrier layer 41 in the first direction D1. The In composition ratio on the 42 side increases. For this reason, the crystallinity of the well layer 42 laminated on the barrier layer 41 is likely to deteriorate.
Therefore, the profile P (f) that is the profile of the In composition ratio of the semiconductor light emitting device 110 according to the present embodiment, which has good internal quantum efficiency and crystallinity, is optimal.

図１２（ａ）〜図１３（ｂ）は、障壁層のＩｎ組成比と内部量子効率との関係を例示する図である。
なお、いずれの図においても、８層の障壁層４１のうち最もｐ形半導体層５０に近い８層目の障壁層４１のみＩｎ組成比を傾斜させた場合のシミュレーション結果である。また、内部量子効率ＩＱＥは、発光層４０に電流量１７０Ａ／ｃｍ^２の電流を流した場合のシミュレーション結果である。 FIG. 12A to FIG. 13B are diagrams illustrating the relationship between the In composition ratio of the barrier layer and the internal quantum efficiency.
In any of the figures, the simulation result is obtained when the In composition ratio is inclined only in the eighth barrier layer 41 closest to the p-type semiconductor layer 50 among the eight barrier layers 41. The internal quantum efficiency IQE is a simulation result when a current of 170 A / cm ² is passed through the light emitting layer 40.

図１２（ａ）には、障壁層４１のＩｎ組成比の差Δｂと内部量子効率ＩＱＥとの関係が示されている。図１２（ａ）では、障壁層４１の厚さが５ｎｍの場合と、１０ｎｍの場合での内部量子効率ＩＱＥが例示されている。
図１２（ａ）に表したシミュレーション結果によれば、障壁層４１のＩｎ組成比の差Δｂに最適値があることが分かる。また、障壁層４１の厚さによって最適値が異なることも分かる。 FIG. 12A shows the relationship between the In composition ratio difference Δb of the barrier layer 41 and the internal quantum efficiency IQE. FIG. 12A illustrates the internal quantum efficiency IQE when the thickness of the barrier layer 41 is 5 nm and when it is 10 nm.
According to the simulation result shown in FIG. 12A, it can be seen that there is an optimum value for the difference Δb in the In composition ratio of the barrier layer 41. It can also be seen that the optimum value varies depending on the thickness of the barrier layer 41.

図１２（ｂ）には、障壁層４１の単位厚さ当たりのＩｎ組成比の差（Ｉｎ組成比の勾配（Δｂ／ｔ_ｂ））と内部量子効率ＩＱＥとの関係が示されている。図１２（ｂ）では、障壁層４１の厚さが５ｎｍの場合と、１０ｎｍの場合での内部量子効率が例示されている。障壁層４１のＩｎ組成比の勾配とは、Ｉｎ組成比の差Δｂを厚さｔ_ｂで除した値である。
図１２（ｂ）に表したシミュレーション結果によれば、障壁層４１の厚さにかかわらず、障壁層４１のＩｎ組成比の勾配（Δｂ／ｔ_ｂ）に最適値があることが分かる。 FIG. 12B shows the relationship between the difference in In composition ratio per unit thickness of the barrier layer 41 (gradient of In composition ratio (Δb / t _b )) and the internal quantum efficiency IQE. FIG. 12B illustrates the internal quantum efficiency when the thickness of the barrier layer 41 is 5 nm and when it is 10 nm. The slope of In composition ratio of the barrier layer 41 is a value obtained by dividing the difference Δb in thickness t _b of the In composition ratio.
According to the simulation result shown in FIG. 12B, it can be seen that the gradient (Δb / t _b ) of the In composition ratio of the barrier layer 41 has an optimum value regardless of the thickness of the barrier layer 41.

図１３（ａ）には、障壁層４１のＩｎ組成比の勾配（Δｂ／ｔ_ｂ）と内部量子効率上昇率ＩＱＥ＿ＡＶとの関係が示されている。図１３（ａ）では、障壁層４１の厚さが５ｎｍの場合と、１０ｎｍの場合での内部量子効率上昇率ＩＱＥ＿ＡＶが例示されている。
図１３（ａ）に表したシミュレーション結果によれば、障壁層４１の厚さが厚いほど、内部量子効率上昇率ＩＱＥ＿ＡＶが高いことが分かる。 FIG. 13A shows the relationship between the In composition ratio gradient (Δb / t _b ) of the barrier layer 41 and the internal quantum efficiency increase rate IQE_AV. FIG. 13A illustrates the internal quantum efficiency increase rate IQE_AV when the thickness of the barrier layer 41 is 5 nm and when it is 10 nm.
According to the simulation result shown in FIG. 13A, it can be seen that the thicker the barrier layer 41, the higher the internal quantum efficiency increase rate IQE_AV.

図１３（ｂ）には、障壁層４１のＩｎ組成比の勾配（Δｂ／ｔ_ｂ）と、井戸層４２の単位厚さ当たりのＩｎ組成比の差（Ｉｎ組成比の勾配（Δｗ／ｔ_ｗ））と、の比率Ｒ（（Δｂ／ｔ_ｂ）／（Δｗ／ｔ_ｗ））と、内部量子効率上昇率ＩＱＥ＿ＡＶとの関係が示されている。図１３（ｂ）では、障壁層４１の厚さが５ｎｍの場合と、１０ｎｍの場合での内部量子効率上昇率ＩＱＥ＿ＡＶが例示されている。
図１３（ｂ）に表したシミュレーション結果によれば、比率Ｒに最適値があることが分かる。また、障壁層４１の厚さが厚いほど、内部量子効率上昇率ＩＱＥ＿ＡＶが高いことが分かる。 The FIG. 13 (b), the gradient of the In composition ratio of the barrier layer 41 (Δb / _{t b),} the difference between the In composition ratio per unit of the well layer 42 thickness (In composition ratio gradient of ([Delta] w / _{t w} )) And the ratio R ((Δb / t _b ) / (Δw / t _w )) to the internal quantum efficiency increase rate IQE_AV. FIG. 13B illustrates the internal quantum efficiency increase rate IQE_AV when the thickness of the barrier layer 41 is 5 nm and when the thickness is 10 nm.
According to the simulation result shown in FIG. 13B, it can be seen that the ratio R has an optimum value. It can also be seen that the thicker the barrier layer 41, the higher the internal quantum efficiency increase rate IQE_AV.

図１３（ｂ）に表したシミュレーション結果から、比率Ｒは、例えば０．１以上０．４以下が好ましく、より好ましくは０．２以上０．３以下である。 From the simulation result shown in FIG. 13B, the ratio R is preferably 0.1 or more and 0.4 or less, and more preferably 0.2 or more and 0.3 or less.

上記説明した実施形態及び実施例では、障壁層４１及び井戸層４２のIII族元素中におけるＩｎの組成について説明したが、Ｉｎ以外の組成であっても適用可能である。
また、実施形態及び実施例では、発光層４０にＭＱＷ構造を有する例を説明したが、ＳＱＷ（Single Quantum Well）構造を有する発光層４０に上記説明した障壁層４１及び井戸層４２のＩｎ組成比のプロファイルを適用してもよい。 In the above-described embodiments and examples, the composition of In in the group III elements of the barrier layer 41 and the well layer 42 has been described. However, the present invention can be applied to compositions other than In.
In the embodiments and examples, the example in which the light emitting layer 40 has the MQW structure has been described. However, the In composition ratio of the barrier layer 41 and the well layer 42 described above in the light emitting layer 40 having the SQW (Single Quantum Well) structure. The profile may be applied.

実施形態によれば、発光効率の高い半導体発光素子が提供される。 According to the embodiment, a semiconductor light emitting device with high luminous efficiency is provided.

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_αＩｎ_βＡｌ_γＧａ_{１−α−β−γ}Ｎ（０≦α≦１，０≦β≦１，０≦γ≦１，α＋β＋γ≦１）なる化学式において組成比α、β及びγをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成比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、導電形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。 In this specification, “nitride semiconductor” means B _α In _β Al _γ Ga _1-α-β-γ N (0 ≦ α ≦ 1, 0 ≦ β ≦ 1, 0 ≦ γ ≦ 1, α + β + γ ≦ 1) Semiconductors having all composition ratios in which the composition ratios α, β, and γ are changed within the respective ranges are included. Furthermore, in the above chemical formula, those that further include a group V element other than N (nitrogen), and those that further include any of various dopants added to control the conductivity type, etc. Shall be included.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施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、活性層、井戸層、障壁層、電極、基板、バッファ層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。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, the shape, size, material, and arrangement relationship of the specific configuration of each element of the n-type semiconductor layer, p-type semiconductor layer, active layer, well layer, barrier layer, electrode, substrate, and buffer layer included in the semiconductor light emitting device Even if the person skilled in the art has made various changes with respect to the above, etc., as long as the person skilled in the art can implement the present invention in the same manner by selecting appropriately from the well-known range and obtain the same effect, Included in the range.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

１０…基板、１１…バッファ層、２０…ｎ形半導体層、２１…下地層、２２…コンタクト層、３０…積層体、３１…第１結晶層、３２…第２結晶層、４０…発光層、４１…障壁層、４２…井戸層、５０…ｐ形半導体層、５１…ｐ形ＡｌＧａＮ層、５２…ＭｇドープＧａＮ層、５３…コンタクト層、６０…透明電極、７０…ｎ側電極、８０…ｐ側電極、１１０，１１１，１９０，１９１…半導体発光素子、４１１…第１部分、４１２…第２部分、４２３…第３部分、４２４…第４部分、Ｄ１…第１方向 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substrate, 11 ... Buffer layer, 20 ... N-type semiconductor layer, 21 ... Underlayer, 22 ... Contact layer, 30 ... Laminate, 31 ... First crystal layer, 32 ... Second crystal layer, 40 ... Light emitting layer, 41 ... barrier layer, 42 ... well layer, 50 ... p-type semiconductor layer, 51 ... p-type AlGaN layer, 52 ... Mg-doped GaN layer, 53 ... contact layer, 60 ... transparent electrode, 70 ... n-side electrode, 80 ... p Side electrode, 110, 111, 190, 191 ... semiconductor light emitting element, 411 ... first part, 412 ... second part, 423 ... third part, 424 ... fourth part, D1 ... first direction

Claims

An n-type semiconductor layer including a nitride semiconductor;
A p-type semiconductor layer including a nitride semiconductor;
A light emitting layer provided between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer;
With
The light emitting layer has a barrier layer containing a group III element, and a well layer laminated with the barrier layer in a direction from the n-type semiconductor layer to the p-type semiconductor layer, and containing a group III element,
When the barrier layer is divided into the first part on the n-type semiconductor layer side and the second part on the p-type semiconductor layer side, the In composition ratio in the group III element of the second part is Lower than the In composition ratio in the group III element of the first part,
When the well layer is divided into a third portion on the n-type semiconductor layer side and a fourth portion on the p-type semiconductor layer side, the In composition ratio in the group III element of the fourth portion is Higher than the In composition ratio in the third group III element,
The In composition ratio of the barrier layer and the In composition ratio of the well layer are such that the energy band diagram of the valence band of the well layer and the barrier layer is rectangular when a voltage is applied to the light emitting layer. The ratio der is,
The In composition ratio in the group III element of the barrier layer decreases in the direction,
A semiconductor light emitting device in which an In composition ratio in a group III element of the well layer increases in the direction .

The difference between the In composition ratio per unit thickness of the barrier layer, the unit the difference between the In composition ratio per thickness, a ratio of the well layer, according to claim 1 Symbol is 0.1 to 0.4 The semiconductor light emitting element described.

The difference between the n-type semiconductor layer side of the In composition ratio and the p-type semiconductor layer side of the In composition ratio of the barrier layer, according to a small claim 1 or 2 than 0.06 greater than 0.02 Semiconductor light emitting device.

The difference between the n-type semiconductor layer side of the In composition ratio and the p-type semiconductor layer side of the In composition ratio of the well layer is either smaller claims 1-3 than 0.12 greater than 0.04 The semiconductor light emitting element as described in one.

The barrier layer has a thickness of 10 nanometers or less;
The thickness of the well layer is 2.5 The device according to any one of claims 1-4 nm or more 6 is nanometers.

A plurality of said barrier layers are provided;
A plurality of the well layers are provided;
Wherein a plurality of barrier layers, wherein a plurality of well layers, the semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 5 which are alternately stacked.

In all of the plurality of barrier layers, the In composition ratio in the group III element decreases in the direction,
The semiconductor light emitting element according to claim 6 , wherein an In composition ratio in a group III element increases in the direction in all of the plurality of well layers.

In some of the plurality of barrier layers, the In composition ratio in the group III element decreases in the direction,
The semiconductor light emitting element according to claim 6 , wherein an In composition ratio in the group III element increases in the direction in a part of the plurality of well layers.

The barrier layer includes In _b Ga _1-b N (b ≧ 0),
The well layer includes In _w Ga _1-w N (w> b),
The composition ratio of In in the barrier layer decreases in the direction,
The composition ratio of In in the well layer, a semiconductor light emitting device according to any one of claims 1-8 for increasing the directions.

In composition ratio of the In composition ratio and the well layer in the barrier layer, the semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 9 which changes the line shape.

The semiconductor light-emitting device according to the In composition ratio in the In composition ratio and the well layer in the barrier layer, any one of claims 1-9 which changes stepwise.

In composition ratio of the In composition ratio and the well layer in the barrier layer, the semiconductor light emitting device according to any one of claims 1-9 which changes in a curve.