JP6457784B2 - 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。
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た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形成された複数のベースセグメントを有するベース層と、ベース層を埋め込んで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、互いに異なるＡｌ組成を有するＡｌＧａＮからなる複数の副ベース層を有し、第１の半導体層はＧａＮの組成を有し、少なくとも１つの量子井戸層の各々はＩｎＧａＮの組成を有し、ベース層は、複数の副ベース層のうち、第１の副ベース層と、第１の副ベース層よりも第２の半導体層側に形成され、第１の副ベース層よりも大きなＡｌ組成を有する第２の副ベース層と、を有するすることを特徴としている。
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層を含む発光機能層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から応力を受けてランダムな網目状に形成された溝ＧＲを有している。すなわち、溝ＧＲ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部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ＱＷ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。
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、溝ＧＲ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。
溝ＧＲは、互いにランダムにかつ異なる長さ及び形状の溝部から構成されている。溝ＧＲ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、この溝ＧＲ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。
溝ＧＲ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、溝ＧＲ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ＦＬを有している。ベース層ＢＬの表面は、平坦部ＦＬと溝ＧＲの内壁面によって構成されている。平坦部ＦＬの各々は、溝ＧＲによってベースセグメントＢＳ毎に区画されている。ベースセグメントＢＳは、平坦部ＦＬからなる上面と溝ＧＲの内壁面からなる側面とを有している。
すなわち、平坦部ＦＬはベースセグメントＢＳの各々における上面を構成し、溝ＧＲ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、ベース層ＢＬ上に形成された量子井戸層ＷＡを有している。量子井戸層ＷＡは、溝ＧＲを埋め込んで形成されている。また、量子井戸層ＷＡは、その上面が平坦面（以下、第１の平坦面と称する）ＦＳ１として形成されている。量子井戸層ＷＡは、ベース層ＢＬとの界面（下面）においては溝ＧＲに対応する凹凸形状を有する一方で、上面においては平坦形状を有している。量子井戸層ＷＡは、図１（ａ）に示すように、ベース層ＢＬを埋め込んで平坦化された第１の平坦面ＦＳ１を有している。量子井戸層ＷＡは、歪み量子井戸層として形成されている。
また、発光層１３は、量子井戸層ＷＡ上に形成された障壁層ＢＡを有している。障壁層ＢＡは、その両主面が平坦面として形成されている。具体的には、障壁層ＢＡは、量子井戸層ＷＡの第１の平坦面ＦＳ１上に形成され、上面が平坦面（以下、第２の平坦面と称する）ＦＳ２として形成されている。
図２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）の組成を有する第１の副ベース層ＢＬ１と、第１の副ベース層ＢＬ１上に形成され、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）の組成を有する第２の副ベース層ＢＬ２と有している。ベース層ＢＬは、互いに異なるＡｌ組成を有する複数のＡｌＧａＮ層からなる複数の副ベース層を有している。また、量子井戸層ＷＡは、ＩｎＧａＮの組成を有している。障壁層ＢＡは、ＧａＮの組成を有している。電子ブロック層１４は、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）の組成を有している。
第２の副ベース層ＢＬ２は、ベース層ＢＬの複数のベース層ＢＬ１及びＢＬ２のうち、第１の副ベース層ＢＬ１よりも大きなＡｌ組成ｙを有している。具体的には、第２の副ベース層ＢＬ２におけるＡｌ組成ｙは、第１の副ベース層ＢＬ１におけるＡｌ組成ｘよりも大きい。本実施例においては、Ａｌ組成ｙは、ｙ＝１である。すなわち、本実施例においては、第１の副ベース層ＢＬ１はＡｌＧａＮの組成を有し、第２の副ベース層ＢＬ２はＡｌＮの組成を有している。また、第１の副ベース層ＢＬ１は、第２の副ベース層ＢＬ２よりも大きな層厚Ｔ１を有している。具体的には、第１の副ベース層ＢＬ１の層厚Ｔ１は、第２の副ベース層ＢＬ２の層厚Ｔ２よりも大きい。なお、ベース層ＢＬは、障壁層として機能する。
ここで、発光層１３について説明する。ベース層ＢＬにおけるベースセグメントＢＳは、ベース層ＢＬとしてのＡｌＧａＮ層ＢＬ１及びＡｌＮ層ＢＬ２を、成長温度を比較的低温でｎ型半導体層１２としてのＧａＮ層上に成長することで形成することができる。
まず、ｎ型半導体層１２上に、これとは異なる結晶組成のベース層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層に第１の副ベース層ＢＬ１としてのＡｌＧａＮ層を成長する場合、ＡｌＧａＮ層にはＧａＮ層によって伸張歪が生ずる。従って、ＡｌＧａＮ層にはその成長時に引張応力が生ずる。また、ＡｌＧａＮ層上に、第２の副ベース層ＢＬ２としてのＡｌＮ層を形成すると、その引張応力はさらに大きくなる。従って、ＡｌＮ層の成長開始時又は成長途中でＡｌＮ層に溝が生じ、これ以降は、ＡｌＮ層は３次元的に成長する。すなわち、ＡｌＮ層は立体的に成長し、複数の微細な凹凸が形成される。この溝の形成開始点が溝ＧＲの底部ＢＰとなる。
さらに、ＧａＮ層上に低温でＡｌＮ層を成長する場合、ＡｌＮ層における３次元的な成長が促進される。従って、ＡｌＮ層の表面に無数の溝が互いに結合しながら形成され（溝ＧＲ）、これによってＡｌＮ層の表面が粒状の複数のセグメントに区画されていく。このようにしてベースセグメントＢＳを有するベース層ＢＬを形成することができる。なお、本実施例においては、１１００℃の成長温度でベース層ＢＬとしてのＡｌＧａＮ層及び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、例えば平坦部ＦＬ上の領域と溝ＧＲ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、溝ＧＲを形成することを考慮すると、ＧａＮ層上に直接ＡｌＮ層（すなわち第２の副ベース層ＢＬ２）を形成すればよい。しかし、ＡｌＮは、その大きなバンドギャップから、ｎ型半導体層（ＧａＮ層）１２から量子井戸層ＷＡへのキャリア（電子）の移動を阻害する。ＡｌＧａＮ層（第１の副ベース層ＢＬ１）は、ＡｌＮ層及びＧａＮ層の中間のバンドギャップを有しているため、キャリアの移動阻害を低減することができる。従って、発光強度の低下を抑制することが可能となる。また、ベース層ＢＬをキャリアのトンネル効果が生じるような層厚とすることで、電子の発光層１３への移動が促進され、正孔との再結合確率が向上する。
また、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、第２の副ベース層ＢＬ２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、井戸層ＷＡ内にＩｎが取り込まれ易くなる。従って、高いＡｌ組成を有する第２の副ベース層ＢＬ２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。具体例として、第１の副ベース層の層厚Ｔ１を６．６ｎｍに設定した場合、およそ５３０ｎｍにスペクトル強度のピークを有するブロードな光が放出された。
このように、ベース層ＢＬは、互いに異なるＡｌ組成を有する第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２を有している。従って、広範囲の波長域に亘って一定の強度を有する発光素子１０が形成される。また、第２の副ベース層ＢＬ２が第１の副ベース層ＢＬ１よりも大きなＡｌ組成を有しているため、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が平坦部ＦＬを有している。従って、量子井戸層ＷＡは溝ＧＲを埋めるように形成され、上面が平坦部ＦＳ１となる。従って、量子井戸層ＷＡの上面においては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の表面が平坦部ＦＬ及び溝ＧＲ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、ベース層ＢＬ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における第１の副ベース層ＢＬ１は６．６ｎｍの層厚を有し、第２の副ベース層ＢＬ２は、１ｎｍの層厚を有している。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の大きさである。
なお、本実施例においては、量子井戸構造層ＱＷが１つの量子井戸層ＷＡ及び１つの障壁層ＢＡからなる構造を有する場合について説明したが、量子井戸構造層ＱＷは１つの量子井戸層ＷＡ及び１つの障壁層ＢＡからなる場合に限定されない。量子井戸構造層ＱＷは複数の量子井戸層ＷＡ及び複数の障壁層ＢＡから構成されていてもよい。すなわち、量子井戸構造層ＱＷは単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有していてもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有していてもよい。すなわち、量子井戸構造層ＱＷ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から構成されていればよい。
図３は、実施例１の変形例１に係る半導体発光素子１０Ａの構造を示す断面図である。発光素子１０Ａは、発光機能層（発光層）１３Ａのベース層ＢＬＭ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１３Ａのベース層ＢＬＭは、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２がこの順で３回繰り返し積層された構造を有している。
本変形例においては、第１の副ベース層ＢＬ１の各々は互いに同一の層厚Ｔ３を有している。第１のベース層ＢＬ１の各々は、例えば１．５ｎｍ又は２．２ｎｍの層厚Ｔ３を有している。また、第２の副ベース層ＢＬ２の各々は、互いに同一の層厚Ｔ２を有している。例えば第２の副ベース層ＢＬ２の各々は、例えば１ｎｍの層厚Ｔ２を有している。
なお、第１の副ベース層ＢＬ１の層厚Ｔ３を１．５ｎｍに設定した場合はおよそ５２０ｎｍに、第１の副ベース層ＢＬ１の層厚Ｔ３を２．２ｎｍに設定した場合はおよそ５３５ｎｍにスペクトル強度のピークを有するブロードな光が得られた。
本変形例においては、ベース層ＢＬＭの最もｎ型半導体層１２側に位置する第１の副ベース層ＢＬ１には溝が形成されず、その上の第２の副ベース層ＢＬ２に溝が形成される。また、実施例１のベース層ＢＬと同様に、ベース層ＢＬＭはその上面に溝ＧＲを有している。すなわち、本変形例においては、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２のうち、最もｎ型半導体層１２側に位置する第１の副ベース層ＢＬ１以外の全ての副ベース層の溝ＧＲに対応する位置に内部溝が形成されている。
本実施例においては、ベース層ＢＬＭにおける第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２の各々は、数ｎｍ程度の層厚、すなわちキャリアのトンネル効果を生じさせる層厚を有している。従って、キャリアの再結合確率の低下が抑制され、発光強度の低下が抑制される。また、各副ベース層で組成や層厚を調節することで、溝のサイズ及び深さを調節することができる。従って、高い自由度でベース層ＢＬＭの構造を制御することが可能となる。なお、発光波長の広域化を考慮すると、ベース層ＢＬＭの表面（上面）には溝ＧＲが形成されていることが好ましく、またベース層ＢＬＭがベースセグメントＢＳに区画されていることが好ましい。
なお、本変形例においては、ベース層ＢＬＭが、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２を３回繰り返し積層した構造を有する場合について説明したが、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２の積層回数はこれに限定されるものではない。ベース層ＢＬＭは、第１及び第２の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２がこの順で複数回繰り返し積層された構造を有していればよい。
図４は、実施例１の変形例２に係る半導体発光素子１０Ｂの構造を示す断面図である。発光素子１０Ｂは、発光機能層１３Ｂ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１３Ｂは、実施例１における発光層１３が複数層（本変形例においては２層）積層された構造を有している。より具体的には、発光層１３Ｂは、ベース層ＢＬＡ、量子井戸層ＷＡ及び障壁層ＢＡを有し、障壁層ＢＡ上に、ベース層ＢＬＢ、量子井戸層ＷＢ及び障壁層ＢＢが積層された構造を有している。
発光機能層１３Ｂは、発光層１３と同様の構成を有する第１及び第２の発光層１３Ｂ１及び１３Ｂ２が積層された構造を有している。なお、第１の発光層１３Ｂ１におけるベース層ＢＬＡ及び第２の発光層１３Ｂ２におけるベース層ＢＬＢは、互いに無関係に形成された溝ＧＲ１及びＧＲ２を有している。溝ＧＲ１及びＧＲ２の各々の底部ＢＰ１及びＢＰ２の各々は、互いに無関係な位置に形成されている。すなわち、ベース層ＢＬＡ及びＢＬＢの各々は、互いに無関係に形成されたベースセグメントＢＳ１及びＢＳ２を有している。
なお、第１及び第２の発光層１３Ｂ１及び１３Ｂ２の各々のベースセグメントＢＳの形状及びサイズ（粒径）を調節することで、第１及び第２の発光層１３Ｂ１及び１３Ｂ２は、互いに異なるピークを有する波長の光を放出する。従って、発光層１３を有する実施例１の発光素子１０に比べ、広域化された発光波長のピークが増える。従って、より安定して広範囲に亘る波長域での発光が可能となる。
図５は、実施例２の半導体発光素子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３３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２つ）の一様に平坦な量子井戸層ＷＣと少なくとも１つ（本変形例においては２つ）の障壁層ＷＣとからなり、これらがそれぞれ交互に積層された量子井戸構造を有する第３の発光層３３Ａを有している。
本実施例においては、第３の発光層３３Ａは、ｎ型半導体層１３上に、２つの量子井戸層ＷＣの各々が３つの障壁層ＢＣの各々によって挟まれた多重量子井戸（ＭＱＷ）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ＢＣ上には発光層１３（ベース層Ｂ１）が形成されている。量子井戸層ＷＣの各々は、例えば、量子井戸層ＷＡ及びＷＢのいずれかと同一の組成、例えばＩｎＧａＮの組成を有している。障壁層ＢＣの各々は、障壁層ＢＡ及びＢＢと同一の組成、例えばＧａＮの組成を有している。障壁層ＢＣのうち、最も発光層１３側に位置する障壁層ＢＣは、ｎ型半導体層１２と同一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第３の発光層３３Ａ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６は、発光素子３０から放出された光のスペクトル特性を示す図である。図の横軸は波長を、縦軸は発光強度を示す。図４に示すように、発光素子３０からは、２つのピークを有し、かつ可視域のほぼ全域に亘って高いスペクトル幅を有する光が放出されていることがわかる。なお、２つのピークのうち、最も短波長側のおよそ４５０ｎｍの位置にあるピークＰ１は第３の発光層３３Ａからの放出光によるものである。同様に、５２０ｎｍ辺りに位置するピークＰ２は、発光層１３からの放出光によるものである。なお、第３の発光層３３Ａを有さない場合、すなわち発光素子１０においては、ピークＰ１がないことを除いてはおよそ発光素子３０と同様のスペクトル特性を示すことを確認した。
また、本実施例においては、発光機能層（発光層）１３、１３Ａ、１３Ｂ及び３３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、発光機能層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。
なお、実施例１、変形例１、変形例２及び実施例２は、互いに組み合わせることが可能である。例えば発光層１３Ｂ及び発光層３３Ａからなる発光機能層を形成することができる。また、発光層１３及び１３Ａ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形成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を埋め込んで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からなる量子井戸構造層とを有し、ベース層ＢＬは、互いに異なるＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層からなる複数の副ベース層ＢＬ１及びＢＬ２を有している。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 半導体発光素子
１２ ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３、１３Ａ、１３Ｂ、３３ 発光機能層（発光層）
１３Ｂ１ 第１の発光層
１３Ｂ２ 第２の発光層
３３Ａ 第３の発光層
１４ 電子ブロック層
１５ ｐ型半導体層（第２の半導体層）
ＢＬ、ＢＬＡ、ＢＬＢ ベース層
ＢＬ１ 第１の副ベース層
ＢＬ２ 第２の副ベース層
ＢＳ、ＢＳ１、ＢＳ２ ベースセグメント
ＧＲ 溝
１２ ｎ型半導体層（第１の半導体層）
１３、１３Ａ、１３Ｂ、３３ 発光機能層（発光層）
１３Ｂ１ 第１の発光層
１３Ｂ２ 第２の発光層
３３Ａ 第３の発光層
１４ 電子ブロック層
１５ ｐ型半導体層（第２の半導体層）
ＢＬ、ＢＬＡ、ＢＬＢ ベース層
ＢＬ１ 第１の副ベース層
ＢＬ２ 第２の副ベース層
ＢＳ、ＢＳ１、ＢＳ２ ベースセグメント
ＧＲ 溝
Claims (7)
- 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形成された複数のベースセグメントを有するベース層と、前記ベース層を埋め込んで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、互いに異なるＡｌ組成を有するＡｌＧａＮからなる複数の副ベース層を有し、
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つの量子井戸層の各々はＩｎＧａＮの組成を有し、
前記ベース層は、前記複数の副ベース層のうち、第１の副ベース層と、前記第１の副ベース層よりも前記第２の半導体層側に形成され、前記第１の副ベース層よりも大きなＡｌ組成を有する第２の副ベース層と、を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記ベース層は、前記第１及び第２の副ベース層がこの順で複数回繰り返し積層された構造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。
- 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又は２に記載の半導体発光素子。
- 前記第２の副ベース層は、ＡｌＮの組成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。
- 前記発光機能層は、複数の前記発光層が積層された構造を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記複数の前記発光層の各々における前記ベース層の各々は、互いに組成が異なることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
- 前記発光機能層は、前記複数の前記発光層のうち、最も前記第１の半導体層側に位置する前記発光層と前記第１の半導体層との間に、少なくとも１つの量子井戸層と複数の障壁層とからなる量子井戸構造を有する発光層を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体発光素子。
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