JP6433246B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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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
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）とがその活性層において結合（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異なる。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、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。例えば蛍光体などの波長変換部材を封止樹脂に混入させ、当該封止樹脂で素子を封止して発光装置を作製する手法である。例えば青色光を放出する活性層を用いた半導体発光素子の場合、活性層からの青色光の一部は蛍光体によって黄色光に変換され、両者が混合されて外部に取出される。従って、全体としては白色光が観察されることとなる。また、特許文献１などのように、活性層の成長前にエッチング等の処理技術によって凹凸パターンを形成し、活性層に傾斜した表面を形成することで、蛍光体を用いずに発光波長の広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、装置内での発光波長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、蛍光体の混入工程の追加、蛍光体の波長変換効率の経年変化、半導体層の加工工程の追加及び半導体層の加工による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、蛍光体などの波長変換部材を不要にし、可視域の広範囲な発光波長帯域（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た第１の発光層と、第１の発光層上に形成された第２の発光層と、第２の発光層上に形成され、第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層と、を有する半導体発光素子であって、第１の発光層は、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た少なくとも１つの量子井戸層及び少なくとも１つの障壁層からなる第１の量子井戸構造層と、を有し、第２の発光層は、第１の量子井戸構造層の少なくとも１つの障壁層とは異なる組成を有する複数の障壁層と少なくとも１つの量子井戸層とからなる第２の量子井戸構造層を有し、複数の障壁層のうち、最も第１の発光層側に位置する端部障壁層の表面には、セグメント形状を残存する溝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）は第１の発光層のベース層における模式的な上面図である。 実施例１に係る半導体発光素子における発光層の構造を示す断面図である。 実施例１の変形例１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１の変形例２に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施例１の変形例２に係る半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
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、同様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ＳＬが形成された構造を有している。半導体構造層ＳＬは、搭載基板１１上に形成されたｎ型半導体層（第１の半導体層）１２、ｎ型半導体層１２上に形成された発光機能層１３、発光機能層１３上に形成された電子ブロック層１４、電子ブロック層１４上に形成された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）１５を含む。
本実施例においては、搭載基板１１は、例えば半導体構造層ＳＬの成長に用いる成長用基板からなり、例えばサファイアからなる。また、半導体構造層ＳＬ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、サファイア基板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ＳＬを成長することによって、作製することができる。なお、図示していないが、発光素子１０は、ｎ型半導体層１２上及びｐ型半導体層１５上にそれぞれ電圧を印加するｎ電極及びｐ電極を有している。
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ＳＬ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ＳＬを成長した後、半導体構造層ＳＬを他の基板に貼り合わせ、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、貼り合わせた他の基板はｐ型半導体層１５上に形成される。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。
なお、図示していないが、搭載基板１１とｎ型半導体層１２との間にバッファ層（下地層）が設けられていてもよい。当該バッファ層は、例えば、成長用基板と半導体構造層ＳＬとの界面及び半導体構造層ＳＬ内の各層の界面に生じ得る歪の緩和を目的として設けられる。本実施例においては、サファイア基板（搭載基板１１）上にバッファ層としてＧａＮ層を成長した後、ｎ型半導体層１２を積層した。
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。電子ブロック層１４は、例えばＡｌＧａＮ層からなる。ｐ型半導体層１５は、例えば、ｐ型ドーパント（例えばＭｇ）を含むＧａＮ層からなる。なお、ｎ型半導体層１２は、異なるドーパント濃度を有する複数のｎ型半導体層から構成されていてもよい。また、電子ブロック層１４は、ｐ型ドーパントを含んでいてもよい。
本実施例においては、ｎ型半導体層１２として第１及び第２のｎ型半導体層部分（図示せず）を形成した。具体的には、基板１１上に第１のｎ型半導体層を形成し、第１のｎ型半導体層上に、第１のｎ型半導体層よりも小さなドーパント濃度を有する第２のｎ型半導体層を形成した。また、電子ブロック層１４として、ｐ型ドーパントを含むＡｌＧａＮ層を形成した。
発光機能層１３は、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂを有している。第１の発光層１３Ａはｎ型半導体層１２上に形成され、第２の発光層１３Ｂは第１の発光層１３Ａよりもｐ型半導体層１５側（本実施例においては第１の発光層１３Ａ上）に形成されている。電子ブロック層１４は第２の発光層１３Ｂ上に形成されている。第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂの各々は、量子井戸（ＱＷ）構造を有している。
第１の発光層１３Ａは、ｎ型半導体層１２とは異なる組成を有するベース層ＢＬを有している。ベース層ＢＬは、ｎ型半導体層１２から応力歪を受けてランダムな網目状に形成された溝（以下、第１の溝と称する）ＧＲ１を有している。すなわち、第１の溝ＧＲ１は、ｎ型半導体層１２とベース層ＢＬとの間の異なる組成によってベース層ＢＬに生じた応力（歪）によって生じた複数の溝が結合したメッシュ形状として形成されている。なお、ベース層ＢＬに生じた応力歪とは、ｎ型半導体層１２とベース層ＢＬとの間の格子定数の差によって、ベース層ＢＬの結晶構造が歪むことをいう。
また、第１の発光層１３Ａは、ベース層ＢＬ上に形成された第１の量子井戸層ＷＡ及び第１の障壁層ＢＡからなる量子井戸構造層（以下、第１の量子井戸構造層と称する）ＱＷ１を有している。第１の量子井戸層ＷＡはベース層ＢＬ上に形成され、第１の障壁層ＢＡは第１の量子井戸層ＷＡ上に形成されている。なお、ベース層ＢＬは、第１の量子井戸層ＷＡに対して障壁層として機能する。第１の量子井戸層ＷＡは、歪み量子井戸層として形成されている。
ここで、図１（ｂ）を参照して、ベース層ＢＬについて説明する。図１（ｂ）は、ベース層ＢＬの上面を模式的に示す図である。また、ベース層ＢＬは、第１の溝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ＢＬにおいて、ベース層がｎ型半導体層１２によって応力歪を受けることによって、ランダムな網目状に区画されている。
第１の溝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。第１の溝ＧＲ１は、ベース層ＢＬ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、この第１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。
第１の溝ＧＲ１は、図１（ａ）に示すように、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、第１の溝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ＢＬは、ベースセグメントＢＳの各々に対応する平坦部（以下、第１の平坦部と称する）ＦＬ１を有している。ベース層ＢＬの表面は、第１の平坦部ＦＬ１と第１の溝ＧＲ１の内壁面によって構成されている。第１の平坦部ＦＬ１の各々は、第１の溝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、第１の平坦部ＦＬ１からなる上面と第１の溝ＧＲ１の内壁面からなる側面とを有している。
すなわち、第１の平坦部ＦＬ１はベースセグメントＢＳの各々における上面を構成し、第１の溝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。
第１の発光層１３Ａは、その表面において第１の溝ＧＲ１の形状を引き継いで（保持して）形成され、第１の溝ＧＲ１と同一のメッシュ形状を有する溝（以下、第２の溝と称する）ＧＲ２を有している。具体的には、第１の量子井戸層ＷＡ及び第１の障壁層ＢＡは、図１（ａ）に示すように、ベースセグメントＢＳのセグメント形状を残存しつつベース層ＢＬ上に形成されている。従って、第１の量子井戸層ＷＡ及び第１の障壁層ＢＡは、ベース層ＢＬの第１の溝ＧＲ１の各溝部に対応する位置に溝を有している。すなわち、最もｐ型半導体層１５側の層である第１の障壁層ＢＡに形成された溝が第２の溝ＧＲ２となる。
第１の発光層１３Ａの表面、すなわち第１の障壁層ＢＡの表面は、第２の溝ＧＲ２以外の部分が平坦部（以下、第２の平坦部と称する）ＦＬ２として形成されている。第２の平坦部ＦＬ２の各々は第１の平坦部ＦＬ１の各々に対応する位置及び形状で形成されている。
換言すれば、第１の発光層１３Ａは、その表面に第２の平坦部ＦＬ２及び第２の溝ＧＲ２を有している。第２の溝ＧＲ２は、第１の発光層１３Ａを島状の複数の発光セグメントＥＳに区画するように形成されている。発光セグメントＥＳの各々は、ベースセグメントＢＳの各々に対応して形成されている。従って、第１の発光層１３Ａは、ランダムな網目状に区画された複数の発光セグメントＥＳを有している。発光セグメントＥＳの各々は、サイズ及び形状にランダムなばらつき又は分布を有し、第１の発光層１３Ａの表面においてランダムに配置（並置）されている。
第２の発光層１３Ｂは、第１の発光層１３Ａ上に形成され、２つの障壁層（以下、第２の障壁層）ＢＢ１及びＢＢ２と量子井戸層（以下、第２の量子井戸層と称する）ＷＢとからなる量子井戸構造層（以下、第２の量子井戸構造層）ＱＷ２を有している。第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２の各々は、第１の発光層１３Ａにおけるベース層ＢＬと第１の量子井戸構造層ＱＷ１における第１の障壁層ＢＡとは異なる組成を有している。また、本実施例においては、第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２は、ｎ型半導体層１２及びｐ型半導体層１５と同一の組成を有している。第２の量子井戸層ＷＢは、歪み量子井戸層として形成されている。
第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２のうち、最も第１の発光層１３Ａ側に位置する端部障壁層（以下、第１の端部障壁層と称する）ＢＢ１は、第２の溝ＧＲ２の形状を引き継いで（保持して）形成された溝（以下、第３の溝と称する）ＧＲ３を有している。第３の溝ＧＲ３は、第１及び第２の溝ＧＲ１及びＧＲ２よりも小さなサイズ及び深さの溝部を有している。すなわち、第１の端部障壁層ＢＢ１の表面には、ベースセグメントＢＳのセグメント形状を残存する第３の溝ＧＲ３が形成されている。また、第１の端部障壁層ＢＢ１は、ベースセグメントＢＳの各々に対応する平坦部（以下、第３の平坦部と称する）ＦＬ３を有している。
また、第２の発光層１３Ｂは、その表面において第３の溝ＧＲ３の形状を引き継いで形成された溝（以下、第４の溝と称する）ＧＲ４を有している。すなわち、第２の発光層１３Ｂの第２の量子井戸層ＷＢ並びに第２の障壁層ＢＢ２は、第１の端部障壁層ＢＢ１の形状を引き継いで形成されている。第４の溝ＧＲ４は、第３の溝ＧＲ３よりも小さなサイズ及び深さを有している。第２の発光層１３Ｂの表面、すなわち第２の障壁層ＢＢ２の表面は、第４の溝ＧＲ４以外の部分が平坦部（以下、第４の平坦部と称する）ＦＬ４として形成されている。
上記したように、第１乃至第４の溝ＧＲ１〜ＧＲ４の各々は、上面視において（すなわち結晶成長面に垂直に見たとき）、互いに同一の位置にその溝の底部を有している。すなわち、第１の発光層１３Ａに形成された発光セグメントＥＳのセグメント形状は、第２の発光層１３Ｂにおいてもほぼ引き継がれている。従って、本実施例においては、発光機能層１３は、その全体が第１乃至第４の溝ＧＲ１〜ＧＲ４によって複数の発光セグメントＥＳに区画されている。
図２は、発光機能層１３の構造を示す断面図である。図２を用いて発光機能層１３の第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂについてより詳細に説明する。第１の発光層１３Ａにおいて、ベース層ＢＬ及び第１の障壁層ＢＡは、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有している。本実施例においてはベース層ＢＬ及び第１の障壁層ＢＡとしてＡｌＮ層を形成した。また、第１の発光層１３Ａの第１の量子井戸層ＷＡは、ＩｎＧａＮの組成を有している。ベース層ＢＬは、第１の量子井戸構造層ＱＷ１の障壁層として機能する。
第２の発光層１３Ｂにおいて、第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２の各々は、ＧａＮの組成を有している。第２の量子井戸層ＷＢは、ＩｎＧａＮの組成を有している。すなわち、第１及び第２の発光層１３Ａ及び１３Ｂは、その各々が量子井戸構造を有し、互いに異なる組成の障壁層を有している。従って、第２の量子井戸層ＷＢは、第１の発光層ＷＡとは異なるバンドギャップを有している。なお、量子井戸構造についてのバンドギャップとは、その量子井戸層の量子準位間のエネルギーをいう。
また、第１の端部障壁層ＢＢ１は、第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２のうち、最もｐ型半導体層１５側に位置する端部障壁層（以下、第２の端部障壁層と称する）ＢＢ２よりも小さな層厚Ｔ１を有している。具体的には、第１の端部障壁層ＢＢ１の層厚Ｔ１は、第２の端部障壁層ＢＢ２の層厚Ｔ２よりも小さい。また、第３の溝ＧＲ３は、第１及び第２の溝ＧＲ１及びＧＲ２よりも小さなサイズ及び深さを有している。従って、同一の発光セグメントＥＳ内において、第３の平坦部ＦＬ３は、第２の平坦部ＦＬ２よりも大きなサイズを有している。
ここで、第１の発光層１３Ａについて説明する。本実施例においては、ベース層ＢＬはＡｌＮ層からなる。ベース層ＢＬのベースセグメントＢＳ（すなわち第１の溝ＧＲ１）は、例えばベース層ＢＬとしてのＡｌＮ層の成長温度を比較的低温でｎ型半導体層１２上に成長することで形成することができる。
より具体的には、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ＢＬを成長した場合、ベース層ＢＬには応力（歪）が生ずる。例えばｎ型半導体層１２としてのＧａＮ層にベース層ＢＬとしての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。ＧａＮ層上にＡｌＮ層を成長すると、成長開始時又は成長途中でＡｌＮ層に溝が生じ、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第１の溝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部が互いに結合しながら形成され（第１の溝ＧＲ１）、これによってＡｌＮ層の表面が複数のセグメントに区画されていく。このようにして複数のベースセグメントＢＳを有するベース層ＢＬを形成することができる。なお、本実施例においては、７８０℃の成長温度でベース層ＢＬとしてのＡｌＮ層を形成した。
このベース層ＢＬ上に第１の量子井戸層ＷＡとしてのＩｎＧａＮ層を形成すると、第１の量子井戸層ＷＡは、歪み量子井戸層として形成される。また、第１の量子井戸層ＷＡ内におけるＩｎの含有量に分布が生ずる。すなわち、第１の量子井戸層ＷＡのうち、第１の平坦部ＦＬ１上の領域と第１の溝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第１の量子井戸層ＷＡの層厚が異なる。従って、第１の量子井戸層ＷＡの層内においてはバンドギャップが一定では無い。
また、第１の溝ＧＲ１の形状を維持するように、第２の溝ＧＲ２を有する第１の障壁層ＢＡ（ＡｌＮ層）を形成することで、第１の発光層１３Ａが形成される。従って、第１の発光層１３Ａにおいて区画された発光セグメントＥＳの各々は、そのランダムな形状及びバンドギャップの構成により、様々な波長の光を放出する。本実施例においては、第１の発光層１３Ａからは、緑色に近い領域において広範囲に亘る波長の光が放出される。このようにして微細な島状の凹凸を有する第１の発光層１３Ａからは、様々な色の光が放出されることとなる。発明者らは、本実施例における第１の発光層１３Ａによっておよそ４５０〜６５０ｎｍの広い波長範囲のスペクトル帯域を有する光が放出されていることを確認した。
また、本実施例においては、ベース層ＢＬが第１の平坦部ＦＬ１を有し、第１の発光層１３Ａの表面が第２の平坦部ＦＬ２を有している。第１の発光層１３Ａが第１の平坦部ＦＬ１上の領域に第２の平坦部ＦＬ２を有することによって、第１の発光層１３Ａ内における良好な結晶性が確保される。
なお、本実施例においてはベース層ＢＬ及び第１の発光層１３Ａの表面が平坦部及び溝からなる場合について説明したが、ベース層ＢＬ及び第１の発光層１３Ａの表面形状はこの場合に限定されない。例えば、ベース層ＢＬはベースセグメントＢＳの上面に曲面部を有していてもよい。
なお、ベースセグメントＢＳのサイズが小さくなるほど、ベース層ＢＬ内におけるＩｎの取り込み量が増加し、発光波長は長波長側にシフトしていく。さらに、ベース層部分ＢＬ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層によって圧縮応力（圧縮歪）を受ける。ＩｎＧａＮ層が圧縮歪を受けると、第１の量子井戸層ＷＡ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と考えられる。従って、第１の量子井戸層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。
なお、発明者らは、第１の発光層１３Ａのような発光層ではなく、一面が平坦であり、互いにＩｎ組成を変化させた複数の量子井戸層を有する多重量子井戸構造を形成することを検討した。しかし、形成できるＩｎ組成範囲には限界があり、Ｉｎ組成を変化させた多重量子井戸構造の発光層を有する発光素子の場合、本実施例の発光素子１０のような広範囲に亘る波長帯域を有するスペクトルを得ることはできなかった。具体的には、広範囲に亘って一定の波長及びその強度を有する光は取出されなかった。
従って、単純にＩｎ組成を大きくするだけでは高い演色性の光を得ることができなかった。さらに、Ｉｎ組成を広範囲に亘って変化させるために過剰にＩｎ組成の大きい量子井戸層を形成すると、Ｉｎの偏析が顕著となり、Ｉｎが析出して黒色化し、発光層として機能しない部分が形成された。従って、Ｉｎ組成によって発光スペクトルの広域化と発光強度の両立を図ることには限界があるといえる。
また、発明者らは、他の検討例として、異種材料によって形成された異なるバンドギャップを有する発光層を積層した発光素子を作製した。しかし、単純に異種の材料で発光層を積層した場合、そのバンドギャップに対応するピーク波長の光が取出されるに過ぎず、ピーク間のスペクトル強度は小さいものであった。また、混色のバランスが不安定となり、白色光を得ることは困難であった。また、異種の材料の発光層を形成する工程が追加されるのみならず、その結晶性は好ましいものではなかった。一方、本実施例においては、微細構造の第１の量子井戸層ＷＡを有する発光機能層１３を形成することで、容易にかつ確実に可視域の広範囲に亘って発光波長帯域（半値幅）を有する光を得ることができた。
次に、第２の発光層１３Ｂについて説明する。第１の発光層１３Ｂは、第１の発光層１３Ａ上に形成され、第１の発光層１３Ａの形状を引き継いだ形状を有している。具体的には、第１の端部障壁層ＢＢ１は、障壁層としての一般的な層厚（例えば第２の端部障壁層ＢＢ２の層厚Ｔ２）よりも小さな層厚Ｔ１を有している。
従って、第１の端部障壁層ＢＢ１の表面には、その第２の溝ＧＲ２に対応する第３の溝ＧＲ３が形成される。また、第２の発光層１３Ｂの表面には第４の溝ＧＲ４が形成されている。すなわち、第２の発光層１３Ｂは、ベースセグメントＢＳに対応する発光セグメントＥＳのセグメント形状を引き継いだ形状を有している。従って、第２の発光層１３Ｂにおいても、ランダムに形成された表面上の溝を有している。従って、単純に平坦な発光層を形成する場合に比べ、そのスペクトル幅は広域化されたものとなる。
なお、本実施例においては、第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２はｎ型半導体層１２と同一の組成を有し、第１の発光層１３Ａにおける第１の障壁層ＢＡとは異なる組成を有している。従って、第１の発光層１３Ａにおいてｎ型半導体層１２から受けた伸張歪は、第２の発光層１３Ｂにおいて緩和される。従って、第２の発光層１３Ｂにおいては、その端部障壁層ＢＢ１は、第１の障壁層ＢＡに形成された第２の溝ＧＲ２の形状を引き継いでいるが、第２の溝ＧＲ２をある程度埋め込むように形成される。従って、第１の端部障壁層ＢＢ１においては、その表面に形成された第３の溝ＧＲ３は、第２の溝ＧＲ２よりも浅くかつ小さく形成される。第１の発光層１３Ａ上に第２の発光層１３Ｂを形成することで、発光機能層１３全体としてｎ型半導体層１２から受ける歪の影響を抑制することができる。
また、第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２は、第１の発光層１３Ａにおける第１の障壁層ＢＡとは異なる組成を有している。従って、第１の発光層１３Ａ及び第２の発光層１３Ｂにおいては、その量子井戸層ＷＡとＷＢとの間で、バンドギャップ、すなわち量子準位間のエネルギーが異なる。従って、互いに異なる発光強度のピークを有し、かつそのピークの近傍で広範囲に亘るスペクトル幅を持つ光を放出させることが可能となる。例えば本実施例においては、第１の発光層１３Ａからは緑色領域の光を、第２の発光層１３Ｂからは青色領域の光を、それぞれ広範囲の波長帯域で発する構成となる。
なお、本実施例においては、第２の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２の各々はＧａＮの組成を有し、第２の量子井戸層ＷＢはＩｎＧａＮの組成を有している。発明者らは、このような構成の第２の発光層１３Ｂからは４２０〜４５０ｎｍの範囲内のスペクトル幅を有する光が放出されることを確認した。一方、単純に平坦な発光層を形成する場合においては、当該発光層からは青色領域（４２０ｎｍ辺り）に強度のピークを有する光が放出され、その近傍の波長領域においては極端に小さな強度の光が放出された。
なお、本実施例においては、第２の発光層１３Ｂの表面に第４の溝ＧＲ４を有する場合について説明した。しかし、第２の発光層１３Ｂは、その表面に第４の溝ＧＲ４を有する場合に限定されない。第２の発光層１３は、その第１の端部障壁層ＢＢ１に、ベースセグメントＢＳのセグメント形状を残存する溝（第３の溝ＧＲ３）が形成されていればよい。例えば、第２の量子井戸層ＷＢ及び第２の端部障壁層ＢＢ２は、その表面が平坦な形状を有していてもよい。例えば、第２の量子井戸層ＷＢ及び第２の端部障壁層ＢＢ２の層厚を大きくすることなどによって平坦面を形成することが可能である。
なお、第１の発光層１３Ａ及び第２の層厚の一例として、発明者らは以下の層厚を有する発光層１３を形成した。ベース層ＢＬは４ｎｍの層厚を有している。第１の量子井戸層ＷＡは３ｎｍの層厚を有している。第１の障壁層ＷＢは４ｎｍの層厚を有している。第１の端部障壁層ＢＢ１は３ｎｍ又は６ｎｍの層厚Ｔ１を有している。第２の量子井戸層ＷＢは３ｎｍの層厚を有している。第２の端部障壁層ＢＢ２は１２ｎｍの層厚を有している。また、ベースセグメントＢＳのサイズ、すなわち発光セグメントＥＳの面内方向におけるサイズは、およそ数十ｎｍ〜数μｍの大きさである。
また、本実施例においては、ｎ型半導体層１２としてのｎ−ＧａＮ層を１１３０℃の成長温度で形成し、第１の発光層１３Ａを７８０℃の成長温度で形成し、第２の発光層１３Ｂを７８０℃の成長温度で形成した。また、電子ブロック層１４としてのＡｌＧａＮ層を９８０℃の成長温度で形成し、ｐ型半導体層１５としてのｐ−ＧａＮ層を１０２０℃の成長温度で形成した。
なお、一般に、発光機能層１３のうちのｐ型半導体層１５に近い位置で電子と正孔とが結合する。具体的には、電子の方が正孔よりも移動しやすく、より正孔の注入側、すなわちｐ型半導体層１５に近い側で両者が結合しやすいからである。従って、ｐ型半導体層１５に近い第２の発光層１３Ｂにおいては比較的高い発光強度を得ることができ、第１の発光層１３Ａにおいては電子の結合確率が小さいことが懸念される。
しかし、本実施例においては、第１の端部障壁層ＢＢ１の層厚Ｔ１は比較的小さくすることでこの懸念は解消される。具体的には、この層厚Ｔ１を小さくしておくことで、正孔が第１の端部障壁層ＢＢ１を越えて第１の発光層１３Ａ側に注入されやすくなる。従って、第１の発光層１３Ａにおいても高い強度の光を放出させることが可能となる。
図３は、実施例１の変形例１に係る半導体発光素子３０の構造を示す断面図である。発光素子３０は、発光機能層３３の構造を除いては、発光素子１０と同様の構成を有している。発光素子３０の発光機能層３３は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する第１及び第２の発光層３３Ａ及び３３Ｂを有している。第１の発光層３３Ａは、例えば２つの第１の量子井戸層ＷＡを有し、第２の発光層３３Ｂは、２つの第２の量子井戸層ＷＢを有している。
具体的には、第１の発光層３３Ａは、ベース層ＢＬ上に、２つの第１の量子井戸層ＷＡ及び第１の障壁層ＢＡがそれぞれ交互に積層された多重量子井戸構造の第１の量子井戸構造層ＱＷ１を有している。また、第２の発光層３３Ｂは、２つの第２の量子井戸層ＷＢが３つの第２の障壁層ＢＢ１、ＢＢ２及びＢＢ３にそれぞれ挟まれるように形成された多重量子井戸構造の第２の量子井戸構造層ＱＷ２を有している。第２の障壁層ＢＢ３は第２の障壁層ＢＢ２と同様の構成を有している。
なお、本実施例においては、第２の発光層３３Ｂにおける第２の障壁層ＢＢ１〜ＢＢ３のうち、最もｎ型半導体層１２側（第１の発光層３３Ａ側）に位置する第２の障壁層ＢＢ１が第１の端部障壁層であり、最もｐ型半導体層１５側に位置する第２の障壁層ＢＢ３が第２の端部障壁層である。
本変形例においては、第１及び第２の発光層３３Ａ及び３３Ｂが多重量子井戸構造を有している。従って、発光層３３から放出される光の波長帯域が広域化する。すなわち、発光層３３から放出される光の波長のスペクトルのピーク個数が増加する。本変形例においては４つのピークを示すスペクトルを得ることができる。従って、発光波長の広域化及びその強度の増大の効果はさらに大きなものとなる。
なお、本変形例においては、第１及び第２の発光層３３Ａ及び３３Ｂの両方が多重量子井戸構造を有する場合について説明したが、第１及び第２の発光層３３Ａ及び３３Ｂの両方が多重量子井戸構造を有している必要は無い。例えば、第１の発光層が本変形例の第１の発光層３３Ａのように多重量子井戸構造を有し、第２の発光層が実施例１の第１の発光層１３Ｂのように単一量子井戸構造を有していてもよい。また、各量子井戸層の層数は３層以上であってもよい。
換言すれば、第１の発光層は、ベース層ＢＬ上に少なくとも１つの第１の量子井戸層及び第１の障壁層が積層された量子井戸構造を有していればよい。また、第２の発光層は、少なくとも１つの第２の量子井戸層が複数の第２の障壁層によって挟まれるように積層された量子井戸構造を有していればよい。そして、第２の発光層における複数の第２の障壁層のうち、最もｎ型半導体層１２側に位置する第１の端部障壁層が第１の発光層における第１及び第２の溝ＧＲ１及びＧＲ２に対応する第３の溝ＧＲ３を有していればよい。
また、本変形例においては、図３に示すように、第２の発光層３３Ｂの表面には溝は形成されておらず、その表面全体が平坦部ＦＬ４から構成されている。すなわち、第２の発光層３３Ｂは、その表面においては、第１の発光層３３Ａに形成された第１及び第２の溝ＧＲ１及びＧＲ２を埋設して形成されている。これは、第２の発光層３３Ｂにおける第２の障壁層ＢＢ１、ＢＢ２及びＢＢ３のうち、第１の端部障壁層ＢＢ１以外の第２の障壁層ＢＢ２及びＢＢ３が比較的大きな層厚を有することに起因する。
図４は、実施例１の変形例２に係る半導体発光素子５０の構造を示す断面図である。発光素子５０は、発光機能層５３の構造を除いては発光素子１０又は３０と同様の構成を有している。発光素子５０の発光機能層５３は、ｎ型半導体層１２と発光素子１０における第１の発光層１３Ａとの間に、少なくとも１つ（本変形例においては２つ）の第３の量子井戸層ＷＣと少なくとも１つ（本変形例においては２つ）の第３の障壁層ＷＣとからなる多重量子井戸構造の第３の量子井戸構造層ＱＷ３を有する第３の発光層５３Ａを有している。
本変形例においては、第３の発光層５３Ａは、ｎ型半導体層１３上に、第３の量子井戸層ＷＣ及び第３の障壁層ＢＣを１セットとし、これが２セット積層された構造を有している。最もｐ型半導体層１５側に位置する第３の障壁層ＢＣ上には第１の発光層１３Ａ（ベース層ＢＬ）が形成されている。第３の量子井戸層ＷＣの各々は、第２の量子井戸層ＷＢと同一の組成、例えばＩｎＧａＮの組成を有している。第３の障壁層ＢＣの各々は、第２の障壁層ＢＢ１〜ＢＢ２と同一の組成、例えばＧａＮの組成を有している。すなわち第３の発光層５３Ａは、第２の発光層１３Ｂ又は３３Ｂと同一の組成を有している。
本変形例においては、実施例１の発光素子１０における発光機能層１３のｎ型半導体層１２側に第３の量子井戸構造層ＱＷ３が追加された構成となる。従って、実施例１に比べて、純粋な青色領域に発光波長のピークを有する光を追加で放出させることが可能となる。本変形例は、例えば青色領域の光の強度を大きくしたい場合に有利な構成となる。
図５（ａ）〜（ｃ）は、本変形例における発光素子５０から得られたスペクトルを示す図である。図５（ａ）〜（ｃ）に、実施例１の変形例２の素子５０で得られたスペクトルと比較例のスペクトルを示している。なお、比較例として実施例１の変形例２から第２の発光層１３Ｂを除いた素子を準備した。まず、本変形例では第２の発光層１３Ｂと第３の発光層５３Ａの両方から青色発光が行われるが、比較例では青色発光は第３の発光層５３Ａに相当の層からの発光のみとなる。
図５（ａ）は、青色発光の強度で規格化したスペクトル図面である。同じ組成でありながら実施例１では青色発光のスペクトルが長波長側にシフトしていることがわかる。図５（ｂ）は、第１の発光層１３Ａからの発光強度で規格化したスペクトル図面である。青色発光と発光層１３Ａからの発光の強度比において、実施例１の変形例２の方が青色成分を多くなっていることがわかる。図５（ｃ）は、青色発光の強度で規格化すると共にピーク位置を一致させた図面である。これにより実施例１の変形例２は半値幅が広くなっていることがわかる。以上のような特徴から比較例に比べ本発明ではより演色性の高い白色素子となっていることが確認された。
なお、本変形例は、変形例２と組み合わせることが可能である。すなわち、多重量子井戸構造を有する第１及び第２の発光層３３Ａ及び３３Ｂを有する発光素子３０に、さらに第３の発光層５３Ａを設けることが可能である。変形例１及び２を組み合わせることで、スペクトルの調整を高い自由度で行うことが可能となる。従って、様々な用途に適用する素子を構成することが可能となる。
なお、本実施例においては、発光層１３（又は３３及び５３）とｐ型半導体層１５との間に電子ブロック層１４を形成する場合について説明したが、電子ブロック層１４を設ける場合に限定されるものではない。例えば発光層１３上にｐ型半導体層１５が形成されていてもよい。なお、電子ブロック層１４は、ｎ型半導体層１２、発光層１３及びｐ型半導体層１５よりも大きなバンドギャップを有している。従って、電子が発光層１３を越えてｐ型半導体層１５側にオーバーフローすることを抑制することが可能となる。従って、大電流駆動時及び高温動作時においては電子ブロック層１４を設けることが好ましい。
本実施例及びその変形例においては、第１の発光層１３Ａは、ｎ型半導体層１２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ＢＳを有するベース層ＢＬと、複数のベースセグメントＢＳのセグメント形状を残存しつつベース層ＢＬ上に形成された少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び少なくとも１つの障壁層ＢＡからなる第１の量子井戸構造層ＱＷ１と、を有し、第２の発光層１３Ｂは、第１の量子井戸構造層ＱＷ１の障壁層ＢＡとは異なる組成を有する複数の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２と少なくとも１つの量子井戸層ＷＢとからなる第２の量子井戸構造層ＱＷ２を有し、複数の障壁層ＢＢ１及びＢＢ２のうち、最も第１の発光層１３Ａ側に位置する端部障壁層ＢＢ１の表面には、セグメント形状を残存する溝ＧＲ３を有する。従って、可視域の広範囲に亘って高い発光強度を有する光を放出することが可能な発光素子を提供することが可能となる。
なお、本実施例においては、第１の導電型がｐ型の導電型であり、第２の導電型がｐ型とは反対の導電型のｎ型である場合について説明したが、第１の導電型がｎ型であり、第２の導電型がｐ型であっていてもよい。
１０、３０、５０ 半導体発光素子
１２ ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３、３３、５３ 発光機能層
１３Ａ、３３Ａ 第１の発光層
１３Ｂ、３３Ｂ 第２の発光層
５３Ａ 第３の発光層
ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３ 量子井戸構造層
１４ 電子ブロック層
１５ ｐ型半導体層（第２の半導体層）
ＢＬ ベース層
ＢＳ ベースセグメント
ＥＳ 発光セグメント
ＧＲ１〜ＧＲ４ 第１〜第４の溝

Claims (7)

  1. 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た第１の発光層と、前記第１の発光層上に形成された第２の発光層と、前記第２の発光層上に形成され、前記第１の半導体層とは反対の導電型を有する第２の半導体層と、を有する半導体発光素子であって、
    前記第１の発光層は、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た少なくとも１つの量子井戸層及び少なくとも１つの障壁層からなる第１の量子井戸構造層と、を有し、
    前記第２の発光層は、前記第１の量子井戸構造層の前記少なくとも１つの障壁層とは異なる組成を有する複数の障壁層と少なくとも１つの量子井戸層とからなる第２の量子井戸構造層を有し、前記複数の障壁層のうち、最も前記第１の発光層側に位置する端部障壁層の表面には、前記セグメント形状を残存する溝を有することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記第１の半導体層はＧａＮの組成を有し、
    前記ベース層と前記第１の量子井戸構造層の前記障壁層とはＡｌＮ又はＡｌＧａＮの組成を有し、
    前記第２の量子井戸構造層の前記複数の障壁層の各々はＧａＮの組成を有し、
    前記第１の量子井戸構造層の前記少なくとも１つの量子井戸層及び前記第２の量子井戸構造層の前記少なくとも１つの量子井戸層の各々はＩｎＧａＮの組成を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記端部障壁層は、前記第２の量子井戸構造層の前記複数の障壁層のうちの最も第２の半導体層側に位置する端部障壁層よりも小さな層厚を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記第２の発光層の表面には、前記セグメント形状を残存する溝を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  5. 前記第１の量子井戸構造層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
  6. 前記第２の量子井戸構造層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  7. 前記第１の半導体層及び前記第１の発光層間に形成され、複数の障壁層と少なくとも１つの量子井戸層とからなる第３の量子井戸構造層を有する第３の発光層を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
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