WO2016072277A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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light emitting
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semiconductor
sub
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PCT/JP2015/079807
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博行 十川
正和 杉山
マシュー マニッシュ
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スタンレー電気株式会社
国立大学法人東京大学
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    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode (LED).
  • LED light emitting diode
  • a semiconductor structure layer composed of an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer is usually grown on a growth substrate, and a voltage is applied to the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, respectively.
  • An electrode and a p-electrode are formed.
  • Patent Document 1 discloses a white light emitting diode in which red, green and blue light emitting diodes are stacked in this order so that they emit light in the same direction.
  • Patent Document 2 discloses a white light emitting device including a first light emitting unit bonded to a conductive submount substrate by a metal layer and a second light emitting unit formed in a region of the upper surface of the conductive submount substrate. It is disclosed.
  • Patent Document 3 discloses a semiconductor light emitting device including a plurality of well layers made of InGaN and having different In compositions in the respective well layers.
  • the semiconductor light emitting device emits light when electrons and holes injected from the electrode into the device are combined (recombined) in the active layer.
  • the wavelength of light emitted from the active layer (that is, the emission color) varies depending on the band gap of the semiconductor material constituting the active layer. For example, in the case of a light emitting element using a nitride semiconductor, blue light is emitted from the active layer.
  • color rendering properties may be required for the light source, for example, for lighting purposes.
  • a light source having a high color rendering property is a light source that emits light close to natural light. In order to obtain high color rendering properties, it is preferable that light having a wavelength in almost the entire visible range is extracted from the light source. For example, light extracted from a light source having high color rendering properties is observed as white light.
  • a light-emitting device is manufactured by mixing a wavelength conversion member such as a phosphor into a sealing resin and sealing the element with the sealing resin.
  • a wavelength conversion member such as a phosphor
  • sealing resin for example, in the case of a semiconductor light emitting device using an active layer that emits blue light, part of the blue light from the active layer is converted into yellow light by the phosphor, and both are mixed and taken out. Accordingly, white light is observed as a whole.
  • a method has been proposed in which a plurality of active layers having different compositions are stacked to broaden the emission wavelength without using a phosphor.
  • the present invention has been made in view of the above points, eliminates the need for a wavelength conversion member such as a phosphor, and emits semiconductor light with a high color rendering property and a high emission intensity having a wide emission wavelength band (spectrum width) in the visible range.
  • the object is to provide an element.
  • a semiconductor light emitting device includes a first semiconductor layer having a first conductivity type, a light emitting functional layer including a light emitting layer formed on the first semiconductor layer, a light emitting functional layer, A semiconductor light emitting device having a second semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the first semiconductor layer, wherein the light emitting layer has a composition that receives stress strain from the first semiconductor layer and has a random network shape.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a light emitting layer in a semiconductor light emitting element according to Modification 1 of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a light emitting layer in a semiconductor light emitting element according to Modification 2 of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor light emitting device according to Example 2.
  • FIG. 6 is a graph showing an emission spectrum of a semiconductor light emitting device according to Example 2.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor light emitting device 10 of the first embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as a light emitting device or an element).
  • the semiconductor light emitting element 10 has a structure in which a semiconductor structure layer SL is formed on a mounting substrate (hereinafter sometimes simply referred to as a substrate) 11.
  • the semiconductor structure layer SL is formed on the n-type semiconductor layer (first semiconductor layer) 12 formed on the mounting substrate 11, the light emitting functional layer 13 formed on the n type semiconductor layer 12, and the light emitting functional layer 13.
  • the electron block layer 14 and the p-type semiconductor layer (second semiconductor layer, semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the first semiconductor layer 12) 15 formed on the electron block layer 14 are included.
  • the mounting substrate 11 is made of, for example, a growth substrate used for growing the semiconductor structure layer SL, and is made of, for example, sapphire.
  • the semiconductor structure layer SL is made of a nitride semiconductor.
  • the semiconductor light emitting device 10 uses the C-plane of the sapphire substrate as a crystal growth surface, and grows the semiconductor structure layer SL on the sapphire substrate by using metal-organic-chemical-vapor-deposition (MOCVD) method. Can be produced.
  • MOCVD metal-organic-chemical-vapor-deposition
  • the light emitting element 10 has an n electrode and a p electrode for applying a voltage to the n type semiconductor layer 12 and the p type semiconductor layer 15, respectively.
  • the light emitting element 10 has a structure in which the semiconductor structure layer SL is formed on the growth substrate as the mounting substrate 11
  • the mounting substrate 11 is a growth substrate.
  • the semiconductor light emitting device 10 may have a structure in which after the semiconductor structure layer SL is grown on the growth substrate, the semiconductor structure layer SL is bonded to another substrate and the growth substrate is removed. In this case, the other bonded substrate is formed on the p-type semiconductor layer 15.
  • the bonding substrate for example, a material with high heat dissipation such as Si, AlN, Mo, W, or CuW can be used.
  • a buffer layer (underlayer) may be provided between the mounting substrate 11 and the n-type semiconductor layer 12.
  • the buffer layer is provided, for example, for the purpose of alleviating strain that may occur at the interface between the growth substrate and the semiconductor structure layer SL and at the interface between the layers in the semiconductor structure layer SL.
  • an n-type semiconductor layer 12 was laminated.
  • the n-type semiconductor layer 12 is made of, for example, a GaN layer containing an n-type dopant (for example, Si).
  • the electron block layer 14 is made of, for example, an AlGaN layer.
  • the p-type semiconductor layer 15 is made of, for example, a GaN layer containing a p-type dopant (for example, Mg).
  • the n-type semiconductor layer 12 may include a plurality of n-type semiconductor layers having different dopant concentrations.
  • the electron block layer 14 may contain a p-type dopant.
  • the p-type semiconductor layer 15 may have a contact layer on the main surface opposite to the interface with the electron block layer 14.
  • the light emitting functional layer 13 may have a plurality of light emitting layers, in this embodiment, the case where the light emitting functional layer 13 is composed of one light emitting layer will be described. Therefore, in this embodiment, the light emitting layer as the light emitting functional layer 13 will be described.
  • the light emitting layer 13 is formed on the n-type semiconductor layer 12 and has a quantum well (QW) structure.
  • the light emitting layer 13 has a base layer BL having a composition different from that of the n-type semiconductor layer 12.
  • the base layer BL has a groove GR formed in a random mesh shape under stress from the n-type semiconductor layer 12. That is, the groove GR is formed in a mesh shape in which a plurality of groove portions generated by stress strain generated in the base layer BL due to different compositions between the n-type semiconductor layer 12 and the base layer BL are combined.
  • the stress strain generated in the base layer BL means that the crystal structure of the base layer BL is distorted due to a difference in lattice constant between the n-type semiconductor layer 12 and the base layer BL.
  • the light emitting layer 13 has a quantum well structure layer QW formed of a quantum well layer WA and a barrier layer BA formed on the base layer BL.
  • the quantum well layer WA is formed on the base layer BL
  • the barrier layer BA is formed on the quantum well layer WA.
  • the base layer BL functions as a barrier layer with respect to the quantum well layer WA.
  • FIG. 1B is a diagram schematically showing the upper surface of the base layer BL.
  • the base layer BL has a large number of fine base segments BS which are defined by the grooves GR and are formed at random sizes.
  • Each of the base segments BS is partitioned into a random network by having a composition in which the base layer receives stress strain from the n-type semiconductor layer 12.
  • the groove GR is composed of groove portions having different lengths and shapes at random from each other.
  • the groove GR is formed to be stretched in a mesh shape (mesh shape) on the surface of the base layer BL.
  • Each of the base segments BS is a portion (segment) that is randomly partitioned in the base layer BL by the groove GR.
  • Each base segment BS has various top shapes such as a substantially circular shape, a substantially elliptical shape, and a polygonal shape.
  • the groove GR has, for example, a V-shaped cross-sectional shape (FIG. 1A). Further, as shown in FIG. 1B, the groove GR has a line-shaped bottom portion BP.
  • each of the base segments BS has the bottom BP in the groove GR as its end.
  • Each base segment BS is adjacent to another base segment BS at the bottom BP.
  • the base layer BL has a flat portion FL corresponding to each of the base segments BS.
  • the surface of the base layer BL is constituted by the flat portion FL and the inner wall surface of the groove GR.
  • Each of the flat portions FL is partitioned for each base segment BS by the groove GR.
  • the base segment BS has an upper surface made of the flat portion FL and a side surface made of the inner wall surface of the groove GR.
  • each base segment BS has an inclined side surface, and has, for example, a substantially trapezoidal shape in its cross section.
  • the light emitting layer 13 has a quantum well layer WA formed on the base layer BL.
  • the quantum well layer WA is formed by filling the trench GR.
  • the upper surface of the quantum well layer WA is formed as a flat surface (hereinafter referred to as a first flat surface) FS1.
  • the quantum well layer WA has an uneven shape corresponding to the groove GR at the interface (lower surface) with the base layer BL, and has a flat shape at the upper surface. That is, the quantum well layer WA has a first flat surface FS1 that is flattened by embedding the base layer BL, as shown in FIG.
  • the quantum well layer WA is formed as a strained quantum well layer.
  • the light emitting layer 13 has a barrier layer BA formed on the quantum well layer WA.
  • the barrier layer BA is formed such that both main surfaces are flat surfaces.
  • the barrier layer BA is formed on the first flat surface FS1 of the quantum well layer WA, and the upper surface is formed as a flat surface (hereinafter referred to as a second flat surface) FS2.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting layer 13.
  • FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing a part surrounded by a broken line in FIG.
  • the light emitting layer 13 will be described in more detail with reference to FIG.
  • the base layer BL of the light emitting layer 13 is formed on the first sub-base layer BL1 having a composition of Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) and the first sub-base layer BL1, and Al y
  • a second sub-base layer BL2 having a composition of Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ 1) is included.
  • the base layer BL has a plurality of sub-base layers composed of a plurality of AlGaN layers having different Al compositions.
  • the quantum well layer WA has an InGaN composition.
  • the barrier layer BA has a GaN composition.
  • the electron block layer 14 has a composition of Al z Ga 1 -zN (0 ⁇ z ⁇ 1).
  • the first sub base layer BL1 has a larger layer thickness T1 than the second sub base layer BL2. Specifically, the layer thickness T1 of the first sub base layer BL1 is larger than the layer thickness T2 of the second sub base layer BL2.
  • the base segment BS in the base layer BL can be formed by growing the AlGaN layer BL1 and the AlN layer BL2 as the base layer BL on the GaN layer as the n-type semiconductor layer 12 at a relatively low temperature.
  • the base layer BL has a lattice constant smaller than that of the n-type semiconductor layer 12.
  • the base layer BL has a lattice constant smaller than that of the n-type semiconductor layer 12.
  • an AlGaN layer as the first sub-base layer BL1 is grown on a GaN layer as the n-type semiconductor layer 12
  • tensile strain is generated in the AlGaN layer by the GaN layer. Therefore, tensile stress is generated in the AlGaN layer during its growth.
  • an AlN layer as the second sub-base layer BL2 is formed on the AlGaN layer, the tensile stress is further increased.
  • a groove is formed in the AlN layer at the start of growth or during the growth of the AlN layer, and thereafter, the AlN layer grows three-dimensionally. That is, the AlN layer grows three-dimensionally and a plurality of fine irregularities are formed.
  • the formation start point of this groove is the bottom portion BP of the groove GR.
  • the base layer BL having the base segment BS can be formed.
  • the AlGaN layer and the AlN layer as the base layer BL were formed at a growth temperature of 1100 ° C.
  • the quantum well layer WA is formed as a strained quantum well layer. Further, a distribution occurs in the In content in the quantum well layer WA. That is, in the quantum well layer WA, for example, the region on the flat portion FL and the region on the trench GR are formed so as to have different In compositions.
  • the layer thickness of the quantum well layer WA differs between the upper surface and the side surface of the base segment BS. Therefore, the band gap is not constant in the quantum well layer WA. Therefore, light of various colors is emitted from the light emitting layer 13 having fine island-shaped irregularities.
  • an AlN layer (that is, the second sub-base layer BL2) may be formed directly on the GaN layer.
  • AlN inhibits the movement of carriers (electrons) from the n-type semiconductor layer (GaN layer) 12 to the quantum well layer WA due to its large band gap. Since the AlGaN layer (first sub-base layer BL1) has a band gap intermediate between the AlN layer and the GaN layer, inhibition of carrier movement can be reduced. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in emission intensity.
  • the base layer BL by setting the base layer BL to a layer thickness that causes a carrier tunnel effect, the movement of electrons to the light-emitting layer 13 is promoted, and the recombination probability with holes is improved.
  • the InGaN layer that is the quantum well layer WA is formed on the AlN layer that is the second sub-base layer BL2
  • the InGaN layer is subjected to compressive strain by the AlN layer.
  • In is easily taken into the InGaN layer. Therefore, by forming an InGaN layer on the second sub-base layer BL2 having a high Al composition, an InGaN layer having a high In composition can be formed. Thereby, the band gap in the InGaN layer, that is, the energy between the quantum levels is reduced. Accordingly, light having a longer emission wavelength is emitted from the quantum well layer WA.
  • light having an intensity peak on the longer wavelength side than the blue region is emitted from the light emitting layer 13.
  • the thickness T1 of the first sub-base layer is set to 6.6 nm
  • broad light having a spectral intensity peak at about 530 nm is emitted.
  • the base layer BL has the first and second sub-base layers BL1 and BL2 having different Al compositions. Therefore, the light emitting element 10 having a spectral width over a wide wavelength range is formed.
  • the second sub-base layer BL2 has an Al composition larger than that of the first sub-base layer BL1, the light-emitting layer 13 emits light excellent in both the emission wavelength broadening and the light emission intensity. Released. Accordingly, the light emitting layer 13 having high color rendering properties and high light emission intensity is obtained.
  • the base segment BS of the base layer BL has a flat portion FL. Therefore, the quantum well layer WA is formed so as to fill the trench GR, and the upper surface becomes the flat surface FS1. Therefore, good crystallinity is ensured on the upper surface of the quantum well layer WA.
  • the surface of the base layer BL is composed of the flat portion FL and the groove GR has been described.
  • the surface shape is not limited to this case.
  • the base layer BL may have a curved surface portion on the upper surface of the base segment BS.
  • the inventors examined the formation of a multiple quantum well structure having a plurality of quantum well layers having flat surfaces and different In compositions, instead of the light emitting layer like the light emitting layer 13.
  • the In composition range that can be formed is limited, and in the case of a light emitting device having a light emitting layer having a multiple quantum well structure in which the In composition is changed, it has a wide wavelength band as the light emitting device 10 of this embodiment. A spectrum could not be obtained. Specifically, light having a constant wavelength and its intensity over a wide range was not extracted.
  • the inventors manufactured a light emitting element in which light emitting layers formed of different materials and having different band gaps are stacked as another examination example.
  • the light emitting layer is simply laminated with different materials, only light having a peak wavelength corresponding to the band gap is extracted, and the spectral intensity between peaks is small.
  • the color mixture balance becomes unstable, and it is difficult to obtain white light.
  • a step of forming a light emitting layer of a different material but also its crystallinity is not preferable.
  • the light emitting functional layer 13 having the quantum well layer WA having a fine structure, light having a light emission wavelength band (half-value width) can be easily and reliably spread over a wide visible range. I was able to get it.
  • the inventors formed the light emitting layer 13 having the following layer thickness.
  • the first sub base layer BL1 in the base layer BL has a layer thickness of 6.6 nm
  • the second sub base layer BL2 has a layer thickness of 1 nm.
  • the size of the base segment BS in the in-plane direction is approximately several tens of nm to several ⁇ m.
  • the quantum well structure layer QW has a structure including one quantum well layer WA and one barrier layer BA
  • the quantum well structure layer QW includes one quantum well layer WA and The present invention is not limited to the case where the barrier layer BA is formed.
  • the quantum well structure layer QW may be composed of a plurality of quantum well layers WA and a plurality of barrier layers BA. That is, the quantum well structure layer QW may have a single quantum well (SQW) structure or a multiple quantum well (MQW) structure. That is, the quantum well structure layer QW only needs to be composed of at least one quantum well layer WA and at least one barrier layer BA.
  • SQW single quantum well
  • MQW multiple quantum well
  • each of the first sub-base layers BL1 has the same layer thickness T3.
  • each of the first base layers BL1 has a layer thickness T3 of 1.5 nm or 2.2 nm.
  • each of the second sub-base layers BL2 has the same layer thickness T2.
  • each of the second sub-base layers BL2 has a layer thickness T2 of 1 nm.
  • the spectrum is about 520 nm, and when the layer thickness T3 of the first sub-base layer BL1 is set to 2.2 nm, the spectrum is about 535 nm. Broad light with an intensity peak was obtained.
  • the base layer BLM has a groove GR on the upper surface thereof. That is, in the present modification, the grooves GR of all the sub-base layers other than the first sub-base layer BL1 positioned closest to the n-type semiconductor layer 12 among the first and second sub-base layers BL1 and BL2. An internal groove is formed at a position corresponding to.
  • each of the first and second sub-base layers BL1 and BL2 in the base layer BLM has a layer thickness of about several nm, that is, a layer thickness that causes a carrier tunnel effect. Therefore, a decrease in the carrier recombination probability is suppressed, and a decrease in the emission intensity is suppressed.
  • the size and depth of the groove can be adjusted by adjusting the composition and the layer thickness of each sub-base layer. Therefore, the structure of the base layer BLM can be controlled with a high degree of freedom.
  • a groove GR is preferably formed on the surface (upper surface) of the base layer BLM, and the base layer BLM is preferably partitioned into base segments BS.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the structure of the semiconductor light emitting device 10B according to the second modification of the first embodiment.
  • the light emitting element 10B has the same configuration as that of the light emitting element 10 except for the configuration of the light emitting functional layer 13B.
  • the light emitting functional layer 13B has a structure in which a plurality of light emitting layers 13 in Example 1 are stacked (two layers in this modification). More specifically, the light emitting functional layer 13B includes a base layer BLA, a quantum well layer WA, and a barrier layer BA, and the base layer BLB, the quantum well layer WB, and the barrier layer BB are stacked on the barrier layer BA. It has a structure.
  • the light emitting functional layer 13B has a structure in which first and second light emitting layers 13B1 and 13B2 having the same configuration as the light emitting layer 13 are stacked.
  • the base layer BLA in the first light emitting layer 13B1 and the base layer BLB in the second light emitting layer 13B2 have grooves GR1 and GR2 formed independently of each other.
  • Each of the bottom portions BP1 and BP2 of each of the grooves GR1 and GR2 is formed at a position unrelated to each other. That is, each of the base layers BLA and BLB has base segments BS1 and BS2 formed independently of each other.
  • the first and second light-emitting layers 13B1 and 13B2 have different peaks by adjusting the shape and size (particle size) of the base segment BS of each of the first and second light-emitting layers 13B1 and 13B2.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor light emitting device 30 of the second embodiment.
  • the light emitting element 30 has the same configuration as the light emitting element 10 except for the configuration of the light emitting functional layer 33.
  • the light emitting functional layer 33 is composed of at least one uniformly flat quantum well layer WC and a plurality of barrier layers WC between the n-type semiconductor layer 12 and the light emitting layer 13 in the light emitting element 10, and these are alternately arranged.
  • a light emitting layer (third light emitting layer) 33A having a quantum well structure stacked on the substrate.
  • the third light emitting layer 33A has a multiple quantum well (MQW) structure in which each of the two quantum well layers WC is sandwiched between each of the three barrier layers BC on the n-type semiconductor layer 13.
  • the light emitting layer 13 base layer BL
  • Each of the quantum well layers WC has, for example, the same composition as any of the quantum well layers WA and WB, for example, a composition of InGaN.
  • Each of the barrier layers BC has the same composition as the barrier layers BA and BB, for example, GaN.
  • the barrier layer BC located closest to the light emitting layer 13 has the same composition as the n-type semiconductor layer 12.
  • a third light emitting layer 33A having a quantum well structure is added to the light emitting layer 13 in the light emitting element 10 of Example 1 on the n-type semiconductor layer 12 side. Therefore, it is possible to additionally emit light having an emission wavelength peak in a pure blue region as compared with Example 1.
  • This embodiment is advantageous when, for example, it is desired to increase the intensity of light in the blue region.
  • FIG. 6 is a diagram showing the spectral characteristics of the light emitted from the light emitting element 30.
  • the horizontal axis indicates the wavelength
  • the vertical axis indicates the emission intensity.
  • the light emitting element 30 emits light having two peaks and a high spectral width over almost the entire visible range.
  • the peak P1 at a position of about 450 nm on the shortest wavelength side is due to the light emitted from the light emitting layer 33A.
  • the peak P2 located around 520 nm is due to the light emitted from the light emitting layer 13.
  • it did not have the light emitting layer 33A ie, in the light emitting element 10
  • the electron blocking layer 14 is formed between the light emitting functional layers (light emitting layers) 13, 13 ⁇ / b> A, 13 ⁇ / b> B and 33 and the p-type semiconductor layer 15 has been described. It is not limited to the case of providing.
  • the p-type semiconductor layer 15 may be formed on the light emitting functional layer 13.
  • the electron block layer 14 has a larger band gap than the n-type semiconductor layer 12, the light emitting functional layer 13, and the p-type semiconductor layer 15. Therefore, it is possible to suppress the electrons from overflowing to the p-type semiconductor layer 15 side beyond the light emitting functional layer 13. Therefore, it is preferable to provide the electronic block layer 14 at the time of high current driving and at the time of high temperature operation.
  • the first embodiment, the first modification, the second modification, and the second embodiment can be combined with each other.
  • a light emitting functional layer including the light emitting layer 13B and the light emitting layer 33A can be formed. It is also possible to laminate the light emitting layers 13 and 13A.
  • the light emitting layer 13 includes a base layer BL having a plurality of base segments BS having a composition that receives stress strain from the n-type semiconductor layer 12 and formed in a random network shape;
  • the base layer BL includes a quantum well structure layer including at least one quantum well layer WA and at least one barrier layer BA formed by embedding the base layer BL, and the base layer BL includes a plurality of AlGaN layers having different Al compositions.
  • the first conductivity type is the n-type conductivity type and the second conductivity type is the p-type conductivity type opposite to the n-type has been described.
  • the conductivity type may be p-type, and the second conductivity type may be n-type.

Abstract

　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する。

Description

半導体発光素子
　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２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、ベース層がｎ型半導体層１２から応力歪を受ける組成を有することによって、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、例えばＶ字形の断面形状を有する（図１（ａ））。また、図１（ｂ）に示すように、溝ＧＲは、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。すなわち、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。なお、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。
　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、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、ベース層ＢＬは、ｎ型半導体層１２よりも小さな格子定数を有する。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、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が形成され）、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。従って、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、量子井戸層ＷＡ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。具体的には、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、ＩｎＧａＮ層内に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。従って、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スペクトル幅を有する発光素子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、上面が平坦面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。
［変形例１］
　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。例えば、第１のベース層ＢＬ１の各々は、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、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。
［変形例２］
　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、発光機能層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、発光波長のピーク個数が増える。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つの一様に平坦な量子井戸層ＷＣと複数の障壁層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発光層（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ＢＬ）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、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ｎ型の導電型であり、第２の導電型がｎ型とは反対の導電型のｐ型である場合について説明したが、第１の導電型がｐ型であり、第２の導電型がｎ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

Claims (8)

  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請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 　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２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、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５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
  7. 　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６に記載の半導体発光素子。
  8. 　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６又は７に記載の半導体発光素子。
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