JP6433248B2 - 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、赤色、緑色及び青色発光ダイオードが同一方向に発光するようにこの順で積層された白色発光ダイオードが開示されている。特許文献２には、伝導性サブマウント基板上に金属層によって接合された第１発光部と、伝導性サブマウント基板の上面の一領域に形成された第２発光部とを含む白色発光素子が開示されている。特許文献３には、複数のＩｎＧａＮからなる井戸層を含み、各井戸層のＩｎ組成が異なる半導体発光素子が開示されている。
特開2011-249460号公報 特開2006-339646号公報 特開2004-179493号公報
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、上記特許文献に記載されるように、半導体発光素子を用いて白色光を得る様々な手法が提案されている。例えば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、異なる組成を有する複数の活性層を積層することで、蛍光体を用いずに発光波長の広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、発光層を含む発光機能層と、発光機能層上に形成され、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、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、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量子井戸構造層と、を有し、ベース層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の組成を有し、少なくとも１つの障壁層は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）の組成を有し、組成ｘ及び組成ｙは、ｘ＞ｙの関係を満たす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）は発光層のベース層における模式的な上面図である。 （ａ）は実施例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り、（ｂ）及び（ｃ）はベース層及び障壁層の組成例を示す断面図である。 （ａ）は実施例１の変形例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り、（ｂ）及び（ｃ）はベース層及び障壁層の組成例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。 実施例１の変形例２に係る半導体発光素子からの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、同一の構成要素に同一の参照符号を付している。
図１（ａ）は、実施例１の半導体発光素子（以下、単に発光素子又は素子と称する場合がある）１０の構造を示す断面図である。半導体発光素子１０は、搭載基板（以下、単に基板と称する場合がある）１１上に半導体構造層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及びｐ型半導体層１５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、当該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型半導体層を有していていもよい。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。また、ｐ型半導体層１５は、電子ブロック層１４との界面とは反対側の主面にコンタクト層を有していてもよい。
なお、発光機能層１３は複数の発光層を有していてもよいが、本実施例においては、発光機能層１３は１つの発光層からなる場合について説明する。従って、本実施例においては、発光機能層１３としての発光層１３について説明する。発光層１３は、ｎ型半導体層１２上に形成され、量子井戸（ＱＷ）構造を有している。
発光層１３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、発光層１３は、ベース層ＢＬ上に形成された量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡからなる量子井戸構造層ＱＷＬを有している。量子井戸層ＷＡはベース層ＢＬ上に形成され、障壁層ＢＡは量子井戸層ＷＡ上に形成されている。なお、ベース層ＢＬは、量子井戸層ＷＡに対して障壁層として機能する。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。
発光層１３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ＧＲ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、量子井戸層ＷＡ及び障壁層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、量子井戸層ＷＡ及び障壁層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側の層である障壁層ＢＡに形成された溝が第２の溝ＧＲ２となる。
発光層１３の表面、すなわち障壁層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、発光層１３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、発光層１３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。すなわち、発光セグメントＥＳの各々は、発光層１３の表面においてランダムな網目状に区画されている。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。
図２（ａ）は、発光層１３の構造を示す断面図である。図２は、図１（ａ）の破線で囲まれた部分を拡大して示す部分拡大断面図である。図２を用いて発光層１３についてより詳細に説明する。発光層１３のベース層ＢＬは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の組成を有している。量子井戸層ＷＡはＩｎＧａＮの組成を有している。また、障壁層ＢＡは、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）の組成を有している。
障壁層ＢＡは、ベース層ＢＬよりも小さなＡｌ組成ｙを有している。具体的には、障壁層ＢＡにおけるＡｌ組成ｙは、ベース層ＢＬにおけるＡｌ組成ｘよりも小さい。すなわち、組成ｘ及び組成ｙは、ｘ＞ｙの関係を満たす。
ベース層ＢＬ及び障壁層ＢＡの組成例を図２（ｂ）及び（ｃ）に示す。例えば、図２（ｂ）に示すように、ベース層ＢＬはＡｌＮの組成を有し、障壁層ＢＡはＡｌＧａＮの組成を有している（すなわちｘ＝１、０＜ｙ＜１である）。また、例えば図２（ｃ）に示すように、ベース層ＢＬはＡｌＮの組成を有し、障壁層ＢＡはＧａＮの組成を有している（すなわちｘ＝１、ｙ＝０である）。
ここで、発光層１３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、７４５℃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上に量子井戸層ＷＡとしてのＩｎＧａＮ層を形成すると、量子井戸層ＷＡは歪み量子井戸層として形成される。また、量子井戸層ＷＡ内におけるＩｎの含有量に分布が生ずる。すなわち、量子井戸層ＷＡのうち、例えば第１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量子井戸層ＷＡの層厚が異なる。従って、量子井戸層ＷＡの層内においてはバンドギャップが一定では無い。このようにして微細な島状の凹凸を有する発光層１３からは、様々な色の光が放出されることとなる。
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層によって圧縮歪を受ける。ＩｎＧａＮ層が圧縮歪を受けると、量子井戸層ＷＡ内にＩｎが取り込まれ易くなる。従って、高いＡｌ組成を有するベース層ＢＬ上にＩｎＧａＮ層を形成することで、高いＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を形成することが可能となる。
これによって、ＩｎＧａＮ層におけるバンドギャップ、すなわち量子準位間のエネルギーは小さくなる。量子井戸層ＷＡからは、より長波長側の発光波長を有する光が放出される。なお、本実施例においては、発光層１３からは、青色領域よりも長波長側に強度のピークを有する光が放出される。
また、本実施例においては、障壁層ＢＡのＡｌ組成ｙはベース層ＢＬのＡｌ組成ｘよりも小さい。従って、障壁層ＢＡは、ベース層ＢＬよりも小さなバンドギャップを有している。これは、電子及び正孔の再結合確率を大きくするように機能する。
より具体的には、まず、ｎ型半導体層１２からは電子が、ｐ型半導体層１５からは正孔が、それぞれ発光層１３に向けて注入される。そして、電子の方が正孔よりも移動しやすい。これに対し、上記したように、発光層１３に対して、ｎ型半導体層１２側の層（ベース層ＢＬ）よりもｐ型半導体層１５側の層（障壁層ＢＡ）の方が小さなバンドギャップを有する。従って、電子及び正孔の移動効率の差が低減され、両者の再結合確率が向上する。
また、ベース層ＢＬは、キャリアのトンネル効果を生じさせる層厚を有することが好ましい。例えばベース層ＢＬを薄膜とすることで、キャリアのトンネル効果を生じさせることができる。ｎ型半導体層１２よりも大きなバンドギャップを有するベース層ＢＬは、電子の量子井戸層ＷＡへの移動を阻害する。一方、ベース層ＢＬの層厚を調節し、トンネル効果を生じさせることで、電子の量子井戸層ＷＡへの移動阻害を低減することが可能となり、正孔との再結合確率（発光効率）が向上する。
このように、発光層１３からは、発光波長の広域化及び発光強度の両方に優れた光が放出される。従って、高い演色性を有する高発光強度の発光層１３となる。
また、本実施例においては、ベース層ＢＬのベースセグメントＢＳが第１の平坦部ＦＬ１を有している。また、発光層１３の表面が第１の平坦部ＦＬ２を有している。発光層１３の全体で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の表面が第１の平坦部ＦＬ１及び第１の溝ＧＲ１からなる場合について説明したが、これら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、発明者らは、発光層１３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。
なお、発光層１３の各層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、量子井戸層ＷＡは３ｎｍの層厚を有している。また、障壁層ＢＡをＧａＮ層で形成する場合、当該ＧａＮ層の層厚を７ｎｍとした。また、障壁層ＢＡをＡｌＧａＮ層で形成する場合、当該ＡｌＧａＮ層の層厚を４ｎｍとした。また、ベースセグメントＢＳの面内方向におけるサイズは、およそ数十ｎｍ〜数μｍの大きさであった。
なお、Ａｌ組成ｙは、大きいほど得られるスペクトルのピークは長波長側にシフトする。このように、Ａｌ組成ｙを種々調節することで、発光色の調整を行うことができる。これには、２つの原因が考えられる。第１に、Ａｌ組成ｙの増加に伴って量子井戸層ＷＡに生ずる応力歪の増加である。量子井戸層ＷＡに生ずる応力歪が大きくなると、量子井戸層ＷＡの内部電界が大きくなる。従って、量子井戸層ＷＡのバンドが傾斜し、実質的なバンドギャップは小さくなる。第２の原因としては、障壁層ＢＡへのＩｎの拡散の程度の差である。障壁層ＢＡのＡｌ組成ｙが小さいほど、量子井戸層ＷＡから障壁層ＢＡにＩｎが拡散しやすくなる。従って、量子井戸層ＷＡ内の実質的なＩｎ量は低下する。
なお、本実施例においては、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡがそれぞれ１層ずつ形成されている場合について説明したが、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡの層数はこれに限定されない。例えば、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡは複数層形成されていてもよい。すなわち、量子井戸構造層ＱＷＬは、少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び少なくとも１つの障壁層ＢＡを有していればよい。また、発光層１３は、ベース層ＢＬ上に、少なくとも１つの量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡがそれぞれ交互に積層されていればよい。
図３（ａ）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（発光層）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。発光層３３は、ベース層ＢＬ上に、複数（本変形例においては２つ）の量子井戸層ＷＡ１及びＷＡ２と複数の障壁層ＢＡ１及びＢＡ２とからなり、これらが交互に積層された構造を有している。すなわち、発光層３３は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の量子井戸構造層ＱＷＬを有している。本変形例においては、量子井戸層ＷＡ１及びＷＡ２は互いに同一の組成、例えばＩｎＧａＮの組成を有している。
本変形例においては、障壁層ＢＡ１及びＢＡ２は、ｐ型半導体層１５に近づくに従ってＡｌ組成が小さくなるように構成されている。より具体的には、障壁層ＢＡ１はＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）の組成を有し、障壁層ＢＡ２はＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦１）の組成を有している。組成ｙ及びｚは、ｙ＞ｚの関係を満たす。また、ベース層ＢＬのＡｌ組成ｘは、ｘ＞ｙ＞ｚの関係を満たす。
ベース層ＢＬ、障壁層ＢＡ１及びＢＡ２の組成例を図３（ｂ）及び（ｃ）に示す。例えばベース層ＢＬはＡｌＮ層であり、障壁層ＢＡ１はＡｌＧａＮ層であり、障壁層ＢＡ２は障壁層ＢＡ１よりも小さなＡｌ組成ｚを有するＡｌＧａＮ層である（すなわち、ｘ＝１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｙ＞ｚである）。また、例えば、ベース層ＢＬはＡｌＮ層であり、障壁層ＢＡ１はＡｌＧａＮ層であり、障壁層ＢＡ２はＧａＮ層である（すなわち、ｘ＝１、０＜ｙ＜１、ｚ＝０である）。なお、本変形例においては、障壁層ＢＡ１及びＢＡ２の層厚は４ｎｍとした。
ただし、障壁層ＢＡ１及びＢＡ２は、ｐ型半導体層１５に近づくに従ってＡｌ組成が小さくなるように構成されていればよい。例えば、組成ｘ、ｙ及びｚが、ｘ＝ｙ＞ｚやｘ＞ｙ＝ｚの関係を満たすなど、同一のＡｌ組成を有する複数の障壁層が含まれていてもよい。
本変形例においては、ｎ型半導体層１２からｐ型半導体層１５に向かって、Ａｌ組成が段階的に小さくなるように形成されている。このようにベース層ＢＬ及び障壁層ＢＡ１及びＢＡ２を構成することで、正孔の発光層３３への注入効率を高い自由度で調節することが可能となる。
さらに、Ａｌ組成をｐ型半導体層１５に向かって小さくすることで、発光の色味設計が容易になる。これは、量子井戸層ＷＡ１及びＷＡ２が、その上側の障壁層と下側の障壁層との両方から応力歪を受け、その程度がそれぞれのＡｌ組成に影響されるからである。例えば、Ａｌ組成の関係を各層でバラバラにすると、上側の障壁層に比べて下側の障壁層のＡｌ組成が大きい量子井戸層と、下側の障壁層に比べて上側の障壁層のＡｌ組成が大きい量子井戸層と、が形成される。この場合、それぞれの量子井戸層にかかるトータルの応力歪の大小が判断できなくなる。従って、発光波長の設計が困難になる。これに対し、本変形例のように、Ａｌ組成をｐ型半導体層１５に向かって小さくすることで、多重量子井戸の量子井戸層の各々を、ｐ型半導体層１５に向かって短波長発光させることが可能となる。従って、シンプルなかつ設計の容易な構造にすることが可能となる。また、多重量子井戸構造により、発光効率はさらに向上する。従って、高い演色性及び発光強度の両立が実現される。
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の構成を除いては、発光素子１０と同様の構成を有している。発光機能層５３は、ｎ型半導体層１２と発光素子１０における発光層１３との間に、少なくとも１つ（本変形例においては１つ）の量子井戸層ＷＢ及び少なくとも１つ（本変形例においては２つ）の障壁層ＢＢがそれぞれ交互に積層された発光層５３Ａを有する。
本変形例においては、発光層５３Ａは、ｎ型半導体層１２上に、一様に平坦な量子井戸層ＷＢが２つの障壁層ＢＢによって挟まれた構造を有している。最もｐ型半導体層１５側に位置する障壁層ＢＢ上には発光層１３（ベース層ＢＬ）が形成されている。量子井戸層ＷＢは、例えば、量子井戸層ＷＡと同一の組成、例えばＩｎＧａＮの組成を有している。障壁層ＢＢの各々は、ｎ型半導体層１２と同一組成、例えばＧａＮの組成を有している。
本実施例においては、実施例１の発光素子１０における発光層１３のｎ型半導体層１２側に量子井戸構造の発光層５３Ａ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。本実施例は、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は、半導体発光素子５０において、障壁層ＢＡをＧａＮ層で形成した場合とＡｌＮ層で形成した場合との発光機能層５３からのスペクトル曲線を示す図である。なお、障壁層ＢＡがＡｌＮ層からなる場合とは、組成ｘ及びｙがｘ＝ｙ＝１である場合に相当する。障壁層ＢＡをＧａＮ層で形成した場合のスペクトル曲線は曲線Ｃ１であり、障壁層ＢＡをＡｌＮ層で形成した場合のスペクトル曲線は曲線Ｃ２である。
図５に示すように、障壁層ＢＡのＡｌ組成が大きいほど、得られる光のスペクトル強度のピークは長波長化することがわかる。また、両曲線とも、ピーク波長が青色領域から長波長化し、かつ発光波長帯域がブロードであることがわかる。なお、およそ４２０ｎｍにあるピークＰＫは、発光層５３Ａから放出された光によるものである。両曲線とも、ピークＰＫの位置は変わらない。曲線Ｃ１の場合、長波長領域のピークと青色領域のピークＰＫとの位置が遠くなっている（離れている）。一方、曲線Ｃ２においては、両者は比較的近づいている。ここから、障壁層ＢＡのＡｌ組成を調整することで、発光色の色味を調整することができたことが確認される。
なお、本実施例においては、発光機能層１３、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。例えば発光機能層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、電子が発光機能層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。
また、実施例１、変形例１及び変形例２は、互いに組み合わせることが可能である。例えば発光機能層３３の下に発光層５３Ａを形成することができる。また、発光層１３及び３３を積層することも可能である。
本実施例及びその変形例においては、発光機能層１３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、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ＷＢからなる量子井戸構造層ＱＷＬとを有している。また、発光層１３は、発光層１３をランダムな網目状に形成された島状の複数の発光セグメントＥＳに区画する第２の溝ＧＲ２を有している。
また、ベース層ＢＬは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の組成を有し、少なくとも１つの障壁層ＢＡは、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）の組成を有し、組成ｘ及び組成ｙは、ｘ＞ｙの関係を満たす。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（発光層）
５３Ａ 発光層
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
ＷＡ、ＷＡ１、ＷＡ２ 量子井戸層
ＢＡ、ＢＡ１、ＢＡ２ 障壁層
ＧＲ１、ＧＲ２ 第１及び第２の溝

Claims (6)

  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、発光層を含む発光機能層と、前記発光機能層上に形成され、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量子井戸構造層と、を有し、
    前記ベース層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の組成を有し、前記少なくとも１つの障壁層は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）の組成を有し、前記組成ｘ及び組成ｙは、ｘ＞ｙの関係を満たす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、前記少なくとも１つの量子井戸層は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. 前記量子井戸構造層は多重量子井戸構造を有し、
    前記多重量子井戸構造の障壁層の各々は、前記第２の半導体層に近づくに従ってＡｌ組成が小さくなるように形成されてい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. 前記ベース層は、キャリアのトンネル効果を生じさせる層厚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. 前記ベース層はＡｌＮの組成を有し、前記少なくとも１つの障壁層のうち、最も前記第２の半導体層側に位置する障壁層は、ＧａＮの組成を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  6. 前記発光機能層は、前記第１の半導体層と前記発光層との間に、少なくとも１つの量子井戸層及び複数の障壁層とからなる発光層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。
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