半導体発光素子
【課題】高効率の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光部と、を備えた半導体発光素子が提供される。発光部は、ｎ形半導体層とｐ形半導体層との間に設けられ、第１発光層を含む。第１発光層は、第１障壁層と、ｎ形半導体層と第１障壁層との間に設けられた第１井戸層と、第１井戸層と第１障壁層との間に設けられた第１ｎ側中間層と、第１ｎ側中間層と第１障壁層との間に設けられた第１ｐ側中間層と、を含む。第１ｎ側中間層のＩｎ組成比は、ｎ形半導体層からｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下する。第１ｐ側中間層のＩｎ組成比は、第１方向に沿って低下する。第１ｐ側中間層のＩｎ組成比の第１方向に沿った平均の変化率は、第１ｎ側中間層のＩｎ組成比の第１方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【解決手段】実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光部と、を備えた半導体発光素子が提供される。発光部は、ｎ形半導体層とｐ形半導体層との間に設けられ、第１発光層を含む。第１発光層は、第１障壁層と、ｎ形半導体層と第１障壁層との間に設けられた第１井戸層と、第１井戸層と第１障壁層との間に設けられた第１ｎ側中間層と、第１ｎ側中間層と第１障壁層との間に設けられた第１ｐ側中間層と、を含む。第１ｎ側中間層のＩｎ組成比は、ｎ形半導体層からｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下する。第１ｐ側中間層のＩｎ組成比は、第１方向に沿って低下する。第１ｐ側中間層のＩｎ組成比の第１方向に沿った平均の変化率は、第１ｎ側中間層のＩｎ組成比の第１方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、例えば、表示装置や照明などに用いられている。また、レーザダイオード（ＬＤ）は、例えば、高密度記憶ディスクへの読み書きのための光源などに用いられている。
このような半導体発光素子において、高効率化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３５６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光部と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光部は、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る。前記発光部は、第１発光層を含む。前記第１発光層は、窒化物半導体を含む第１障壁層と、前記ｎ形半導体層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層と、前記第１井戸層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層と、前記第１ｎ側中間層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層と、を含む。前記第１ｎ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下する。前記第１ｐ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第１方向に沿って低下する。前記第１ｐ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率は、前記第１ｎ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図３】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図５】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、参考例の半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図８】半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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率などは、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率が異なって表される場合もある。
なお、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。
【０００８】
（実施の形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）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３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４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５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。 まず、図２を参照しつつ、実施形態に係る半導体発光素子の構成の概要について説明する。
【０００９】
図２に表したように、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、発光部４０と、を備える。発光部４０は、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層５０との間に設けられる。後述するように、発光部４０は、発光層（例えば第１発光層）を含む。
【００１０】
例えば、ｎ形半導体層２０は、ｎ側コンタクト層２２を含むことができる。ｎ側コンタクト層２２は、例えば、下地層２１と発光部４０との間に設けられる。下地層２１には、例えばＧａＮ層が用いられる。ｎ側コンタクト層２２には、ｎ形の不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物として、例えばＳｉ（シリコン）が用いられる。
【００１１】
本具体例では、ｎ形半導体層２０は、多層積層体２３をさらに含む。多層積層体２３は、ｎ側コンタクト層２２と発光部４０との間に設けられる。多層積層体２３は必要に応じて設けられ、場合によっては省略できる。多層積層体２３については後述する。
【００１２】
ｐ形半導体層５０は、例えば、第１ｐ形層５１、第２ｐ形層５２及び第３ｐ形層５３を含むことができる。第２ｐ形層５２は、第１ｐ形層５１と発光部４０との間に設けられる。第３ｐ形層５３は、第２ｐ形層５２と発光部４０との間に設けられる。第３ｐ形層５３には、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層が用いられる。第３ｐ形層５３は、例えば、電子オーバーフロー抑制層（電子オーバーフロー防止層）として機能することができる。第２ｐ形層５２には、Ｍｇをドープしたｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層５１には、高濃度でＭｇをドープしたｐ形ＧａＮ層を用いることができる。第１ｐ形層５１は、コンタクト層として機能する。ｐ形不純物として、例えばＭｇ（マグネシウム）が用いられる。
【００１３】
半導体発光素子１１０においては、ｎ形半導体層２０、発光部４０及びｐ形半導体層５０を含む積層構造体１０ｓが設けられている。この例では、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａの側の一部が選択的に除去されている。これにより、第１主面１０ａの側にｎ形半導体層２０の一部が露出している。この露出している部分にｎ側電極７０が設けられている。ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０に接する。実施形態はこれに限らず、ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０の第２主面１０ｂの側に設けられても良い。ｎ側電極７０としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜が用いられる。
【００１４】
ｐ側電極８０は、ｐ形半導体層５０に接する。ｐ側電極８０には、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などが用いられる。また、ｐ側電極８０には、ニッケル−金（Ｎｉ／Ａｕ）などの複合膜を用いることができる。
【００１５】
半導体発光素子１１０は、さらに、基板１０と、バッファ層１１と、を備えている。基板１０及びバッファ層１１は、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００１６】
基板１０には、例えばサファイアが用いられる。例えば、基板１０には、サファイア（０００１）基板が用いられる。さらに、基板１０には、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはＧａＮ基板を用いても良い。また、サファイア基板において、（０００１）以外の面の基板を用いても良い。基板１０の上にバッファ層１１が形成される。バッファ層１１には、例えばＧａＮ層が用いられる。バッファ層１１の上に、ｎ形半導体層２０、発光部４０及びｐ形半導体層５０が順次形成される。バッファ層１１の上に上記の半導体層を形成した後に、基板１０を除去しても良い。
【００１７】
ここで、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層５０に向かう方向を＋Ｚ方向とする。
【００１８】
図３は、多層積層体２３の構成の例を示している。
図３に表したように、多層積層体２３は、＋Ｚ方向に沿って交互に積層された複数の厚膜層ＳＡと複数の薄膜層ＳＢとを含む。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの厚さと同じ、または厚膜層ＳＡよりも薄い厚さを有する。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの組成とは異なる組成を有する。
【００１９】
例えば、複数の薄膜層ＳＢは、第１薄膜層ＳＢ１〜第ｍ薄膜層ＳＢｍを含む。ここで、「ｍ」は２以上の整数である。複数の厚膜層ＳＡは、第１厚膜層ＳＡ１〜第ｍ厚膜層ＳＡｍを含む。複数の厚膜層ＳＡは、第（ｍ＋１）厚膜層ＳＡ（ｍ＋１）をさらに含んでも良い。
【００２０】
本具体例では、薄膜層ＳＢの数である「ｍ」は２０である。そして、厚膜層ＳＡの数はｍ＋１であり、２１である。ただし、実施形態はこれに限らず、「ｍ」は２以上の任意の整数である。
多層積層体２３は、例えば超格子構造を有することができる。
【００２１】
厚膜層ＳＡの厚さは、例えば、３ナノメートル（ｎｍ）以下に設定される。さらに具体的には、厚膜層ＳＡの厚さは、例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。薄膜層ＳＢの厚さは、例えば、１．５ｎｍ未満であり、かつ、厚膜層ＳＡの厚さ以下である。これにより、多層積層体２３は、超格子構造を有することができる。
【００２２】
多層積層体２３は、窒化物半導体を含むことができる。
具体的には、例えば、厚膜層ＳＡはＧａＮを含む。薄膜層ＳＢは、ＩｎＧａＮを含む。 厚膜層ＳＡには、例えば実質的にＩｎを含まないＧａＮ層が用いられる。薄膜層ＳＢには、例えばＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層が用いられる。薄膜層ＳＢにおけるＩｎ濃度は、これに限らず、良好な結晶品質が得られる範囲で任意である。
例えば、薄膜層ＳＢのバンドギャップエネルギーは、複数の厚膜層ＳＡのバンドギャップエネルギーよりも小さい。ここで、本願明細書において、各層のバンドギャップエネルギーとは、ひずみや量子効果の影響を受けていない、それぞれの層が持つ組成で決定されるバルク状態におけるバンドギャップエネルギーのことを言う。
【００２３】
図４は、発光部４０の構成の例を示している。
図４に表したように、半導体発光素子１１０においては、発光部４０は、１つの発光層ＥＬ（第１発光層ＥＬ１）を含む。第１発光層ＥＬ１は、窒化物半導体を含む第１障壁層ＢＬ１と、ｎ形半導体層２０と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層ＷＬ１と、第１井戸層ＷＬ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層ＭＮ１と、第１ｎ側中間層ＭＮ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層ＭＰ１と、を含む。
【００２４】
なお、第１井戸層ＷＬ１とｎ形半導体層２０との間に、ｎ側障壁層ＢＬＮが設けられている。ｎ側障壁層ＢＬＮは、発光層ＥＬ（第１発光層ＥＬ１）に含まれることができる。すなわち、第１発光層ＥＬ１は、ｎ形半導体層２０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられ、第１井戸層ＷＬ１に接するｎ側障壁層ＢＬＮをさらに含むことができる。
【００２５】
この例では、井戸層ＷＬが１つである。このように、発光部４０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有することができる。
【００２６】
図５は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１１における発光部４０の構成の例を示している。
半導体発光素子１１１における発光部４０以外の構成は、図２に例示した半導体発光素子１１０の構成と同様なので説明を省略する。
図５に表したように、発光部４０は、複数の発光層ＥＬを含む。複数の発光層ＥＬは、例えば、第１発光層ＥＬ１、第２発光層ＥＬ２、第３発光層ＥＬ３及び第４発光層ＥＬ４などを含む。すなわち、複数の発光層ＥＬは、第１発光層ＥＬ１〜第ｎ発光層ＥＬｎを含む。ここで、「ｎ」は２以上の整数である。
【００２７】
第ｉ発光層ＥＬｉと第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）とのＺ軸方向に沿った関係は任意である。ここで、「ｉ」は１以上の整数である。第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）は、第ｉ発光層ＥＬｉとｎ形半導体層２０との間に設けられても良く、第ｉ発光層ＥＬｉとｐ形半導体層５０との間に設けられても良い。また、第ｉ発光層ＥＬｉと第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）との間に第ｊ発光層ＥＬｊが設けられても良い。ここで、「ｊ」は、ｉとは異なり、（ｉ＋１）とも異なる１以上の整数である。
【００２８】
この例では、発光層ＥＬは４つである。ただし、実施形態はこれに限らない。発光層ＥＬの数は２以上であり、任意である。
【００２９】
複数の発光層ＥＬのそれぞれは、障壁層ＢＬと、井戸層ＷＬと、ｎ側中間層ＭＮと、ｐ側中間層ＭＰと、を含む。障壁層ＢＬ、井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰは、窒化物半導体を含む。
【００３０】
第ｉ発光層ＥＬｉにおいて、第ｉ井戸層ＷＬｉは、ｎ形半導体層２０と第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に設けられる。
【００３１】
第ｉ井戸層ＷＬｉのバンドギャップエネルギーは、第ｉ障壁層ＢＬｉのバンドギャップエネルギーよりも小さい。例えば、第１井戸層ＷＬ１のバンドギャップエネルギーは、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第ｉ井戸層ＷＬｉのバンドギャップエネルギーは、ｎ側障壁層ＢＬＮのバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００３２】
第ｉｎ側中間層ＭＮｉは、第ｉ井戸層ＷＬｉと第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に設けられる。第ｉｐ側中間層ＭＰｉは、第ｉｎ側中間層ＭＮｉと第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に設けられる。
【００３３】
ただし、複数の発光層ＥＬの少なくとも２つが上記の構成を有していれば良い。例えば２つを除く発光層ＥＬにおいては、ｎ側中間層ＭＮまたはｐ側中間層ＭＰが設けられなくても良い。
【００３４】
すなわち、第１発光層ＥＬ１は、窒化物半導体を含む第１障壁層ＢＬ１と、ｎ形半導体層２０と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層ＷＬ１と、第１井戸層ＷＬ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層ＭＮ１と、第１ｎ側中間層ＭＮ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層ＭＰ１と、を含む。
【００３５】
さらに、発光部４０は、＋Ｚ方向に沿って第１発光層ＥＬと積層された第２発光層ＥＬ２をさらに含む。
ここで、本願明細書において、「積層」とは、互いに接触して重ねられる場合の他に、間の他の要素が挟まれた状態で重ねられる場合も含む。
【００３６】
第２発光層ＥＬ２は、窒化物半導体を含む第２障壁層ＢＬ２と、ｎ形半導体層２０と第２障壁層ＢＬ２との間に設けられ窒化物半導体を含む第２井戸層ＷＬ２と、第２井戸層ＷＬ２と第２障壁層ＢＬ２との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｎ側中間層ＭＮ２と、第２ｎ側中間層ＭＮ２と第２障壁層ＢＬ２との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｐ側中間層ＭＰ２と、を含む。
【００３７】
図５に示した例では、第１発光層ＥＬ１は、４つの発光層ＥＬの中で最もｎ形半導体層２０に近い。そして、第２発光層ＥＬ２は、４つの発光層ＥＬの中で２番目にｎ形半導体層２０に近い。ただし、実施形態は、これに限らない。複数の発光層ＥＬのうちで、第１発光層ＥＬ１の位置は任意である。また、複数の発光層ＥＬのうちで、第２発光層ＥＬの位置は任意である。
【００３８】
以下では、２つ以上の発光層ＥＬが設けられる場合において、第２発光層ＥＬ２が第１発光層ＥＬ１とｐ形半導体層５０との間に設けられる場合として説明する。
【００３９】
なお、複数の発光層ＥＬのうちで、ｎ形半導体層２０に最も近い井戸層ＷＬとｎ形半導体層２０との間に、ｎ側障壁層ＢＬＮが設けられている。ｎ側障壁層ＢＬＮは、発光層ＥＬに含まれることができる。
以上のように、半導体発光素子１１１の発光部４０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有している。
【００４０】
以下、発光部４０の構成の例について説明する。
図１（ａ）は、半導体発光素子１１０の発光部４０の構成を例示している。図１（ｂ）は、半導体発光素子１１１の発光部４０における２つの発光層ＥＬに関して例示している。
【００４１】
これらの図は、半導体層のそれぞれのIII族元素中におけるＩｎ組成比を例示している。横軸は、＋Ｚ方向の位置である。縦軸は、Ｉｎ組成比ＣＩｎである。Ｉｎ組成比ＣＩｎは、III族元素中におけるＩｎの組成比である。
【００４２】
図１（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０において、井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１）は、Ｉｎｘ１１Ｇａ１−ｘ１１Ｎ（０．１８≦ｘ１１＜１）を含む。ここで、ｘ１１は、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
ｎ側中間層ＭＮ（第１ｎ側中間層ＭＮ１）は、Ｉｎｘ２１Ｇａ１−ｘ２１Ｎ（０＜ｘ２１≦ｘ１１）を含む。ここで、ｘ２１は、第１ｎ側中間層ＭＮ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
ｐ側中間層ＭＰ（第１ｐ側中間層ＭＰ１）は、Ｉｎｘ３１Ｇａ１−ｘ３１Ｎ（０＜ｘ３１≦ｘ２１）を含む。ここで、ｘ３１は、第１ｐ側中間層ＭＰ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
障壁層ＢＬ（第１障壁層ＢＬ１）は、Ｉｎｘ４１Ｇａ１−ｘ４１Ｎ（０≦ｘ４１≦ｘ３１）を含む。ここで、ｘ４１は、第１障壁層ＢＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。例えば、第１障壁層ＢＬ１は、ＧａＮ層である。
【００４３】
そして、第１ｎ側中間層ＭＮ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。
【００４４】
第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００４５】
例えば、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２１ａである。第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２１ｂである。第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ２１ａからｘ２１ｂに低下する。
【００４６】
第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えば、ｘ２１ａとｘ２１ｂとの差を、第１ｎ側中間層ＭＮ１の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第１ｎ側中間層厚ｔｎ１）で割ったものである。すなわち、第１ｎ側中間層ＭＮ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）の平均の変化率は、（ｘ２１ａ−ｘ２１ｂ）／ｔｎ１である。
【００４７】
同様に、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３１ａである。第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１障壁層ＢＬ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３１ｂである。第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ３１ａからｘ３１ｂに低下する。
【００４８】
第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えば、ｘ３１ａとｘ３１ｂとの差を、第１ｐ側中間層ＭＰ１の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第１ｐ側中間層厚ｔｐ１）で割ったものである。すなわち、第１ｐ側中間層ＭＰ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）の平均の変化率は、（ｘ３１ａ−ｘ３１ｂ）／ｔｐ１である。
（ｘ３１ａ−ｘ３１ｂ）／ｔｐ１は、（ｘ２１ａ−ｘ２１ｂ）／ｔｎ１よりも低い。
【００４９】
このように、本実施形態においては、２つの中間層が設けられ、ｎ側中間層ＭＮにおけるＩｎ組成比の平均の変化率が、ｐ側中間層ＭＰにおけるＩｎ組成比ＣＩｎの平均の変化率よりも高い。すなわち、ｎ側中間層ＭＮにおいて、Ｉｎ組成比ＣＩｎは、急激に低下する。そして、ｐ側中間層ＭＰにおいては、Ｉｎ組成比ＣＩｎは緩やかに低下する。
【００５０】
なお、本具体例では、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層ＷＬ１に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１と同じである。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂと同じである。このように、本具体例では、Ｉｎ組成比ＣＩｎは連続的に変化している。
【００５１】
なお、ｎ側障壁層ＢＬＮは、Ｉｎｘ４ＮＧａ１−ｘ４ＮＮ（０≦ｘ４Ｎ≦ｘ３１）を含む。ここで、ｘ４Ｎは、ｎ側障壁層ＢＬＮのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。例えば、ｎ側障壁層ＢＬＮは、ＧａＮ層である。
【００５２】
これにより、高効率の半導体発光素子が提供される。半導体発光素子の特性については後述する。
【００５３】
このような構成が、複数の発光層ＥＬにおいても適用される。
すなわち、図１（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１１の第１発光層ＥＬ１の構成は、半導体発光素子１１０と同様である。なお、図１（ｂ）における縦横の比率は、図１（ａ）から変更されている。
【００５４】
半導体発光素子１１１の第２発光層ＥＬ２において、第２井戸層ＷＬ２は、Ｉｎｘ１２Ｇａ１−ｘ１２Ｎ（０．１８≦ｘ１２＜１）を含む。ここで、ｘ１２は、第２井戸層ＷＬ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第２ｎ側中間層ＭＮ２は、Ｉｎｘ２２Ｇａ１−ｘ２２Ｎ（０＜ｘ２２≦ｘ１２）を含む。ここで、ｘ２２は、第２ｎ側中間層ＭＮ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第２ｐ側中間層ＭＰ２は、Ｉｎｘ３２Ｇａ１−ｘ３２Ｎ（０＜ｘ３２≦ｘ２２）を含む。ここで、ｘ３２は、第２ｐ側中間層ＭＰ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第２障壁層ＢＬ２は、Ｉｎｘ４２Ｇａ１−ｘ４２Ｎ（０≦ｘ４２≦ｘ３２）を含む。ここで、ｘ４２は、第２障壁層ＢＬ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。例えば、第２障壁層ＢＬ２は、ＧａＮ層である。
【００５５】
そして、第２ｎ側中間層ＭＮ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。第２ｐ側中間層ＭＰ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。
【００５６】
第２ｐ側中間層ＭＰ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、第２ｎ側中間層ＭＮ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００５７】
例えば、第２ｎ側中間層ＭＮ２の第２井戸層ＷＬ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２２ａである。第２ｎ側中間層ＭＮ２の第２ｐ側中間層ＭＰ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２２ｂである。第２ｎ側中間層ＭＮ２のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ２２ａからｘ２２ｂに低下する。
【００５８】
第２ｎ側中間層ＭＮ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えばｘ２２ａとｘ２２ｂとの差を、第２ｎ側中間層ＭＮ２の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第２ｎ側中間層厚ｔｎ２）で割ったものである。すなわち、第２ｎ側中間層ＭＮ２におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）の平均の変化率は、（ｘ２２ａ−ｘ２２ｂ）／ｔｎ２である。
【００５９】
同様に、第２ｐ側中間層ＭＰ２の第２ｎ側中間層ＭＮ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３２ａである。第２ｐ側中間層ＭＰ２の第２障壁層ＢＬ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３２ｂである。第２ｐ側中間層ＭＰ２のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ３２ａからｘ３２ｂに低下する。
【００６０】
第２ｐ側中間層ＭＰ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えばｘ３２ａとｘ３２ｂとの差を、第２ｐ側中間層ＭＰ２の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第２ｐ側中間層厚ｔｐ２）で割ったものである。すなわち、第２ｐ側中間層ＭＰ２におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）の平均の変化率は、（ｘ３２ａ−ｘ３２ｂ）／ｔｐ２である。
（ｘ３２ａ−ｘ３２ｂ）／ｔｐ２は、（ｘ２２ａ−ｘ２２ｂ）／ｔｎ２よりも低い。
【００６１】
なお、第１井戸層ＷＬ１の厚さは、第１井戸層厚ｔｗ１である。第２井戸層ＷＬ２の厚さは、第２井戸層厚ｔｗ２である。第１障壁層ＢＬ１の厚さは、第１障壁層厚ｔｂ１である。第２障壁層ＢＬ２の厚さは、第２障壁層厚ｔｂ２である。
【００６２】
例えば、第ｉ井戸層ＷＬｉは、Ｉｎｘ１ｉＧａ１−ｘ１ｉＮ（０．１８≦ｘ１ｉ＜１）を含む。ここで、ｘ１ｉは、第ｉ井戸層ＷＬのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第ｉｎ側中間層ＭＮｉは、Ｉｎｘ２ｉＧａ１−ｘ２ｉＮ（０＜ｘ２ｉ≦ｘ１ｉ）を含む。ここで、ｘ２ｉは、第ｉｎ側中間層ＭＮｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第ｉｐ側中間層ＭＰｉ）は、Ｉｎｘ３ｉＧａ１−ｘ３ｉＮ（０＜ｘ３ｉ≦ｘ２ｉ）を含む。ここで、ｘ３ｉは、第ｉｐ側中間層ＭＰｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第ｉ障壁層ＢＬｉは、Ｉｎｘ４ｉＧａ１−ｘ４ｉＮ（０≦ｘ４ｉ≦ｘ３ｉ）を含む。ここで、ｘ４ｉは、第ｉ障壁層ＢＬｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
【００６３】
そして、第ｉｎ側中間層ＭＮｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２ｉ）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。そして、第ｉｐ側中間層ＭＰｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３ｉ）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。
【００６４】
第ｉｐ側中間層ＭＰｉのＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３ｉ）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、第ｉｎ側中間層ＭＮｉのＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２ｉ）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００６５】
例えば、第ｉｎ側中間層ＭＮｉの第ｉ井戸層ＷＬｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２ｉａである。第ｉｎ側中間層ＭＮｉの第ｉｐ側中間層ＭＰｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２ｉｂである。第ｉｎ側中間層ＭＮｉのＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ２ｉａからｘ２ｉｂに低下する。そして、第ｉｎ側中間層ＭＮｉの＋Ｚ方向に沿った厚さを第ｉｎ側中間層厚ｔｎｉとする。
【００６６】
第ｉｐ側中間層ＭＰｉの第ｉｎ側中間層ＭＮｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３ｉａである。第ｉｐ側中間層ＭＰｉの第ｉ障壁層ＢＬｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３ｉｂである。第ｉｐ側中間層ＭＰｉのＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ３ｉａからｘ３ｉｂに低下する。第ｉｐ側中間層ＭＰｉの＋Ｚ方向に沿った厚さを第ｉｐ側中間層厚ｔｐｉとする。
このとき、（ｘ３ｉａ−ｘ３ｉｂ）／ｔｐｉは、（ｘ２ｉａ−ｘ２ｉｂ）／ｔｎｉよりも低い。
これにより、高効率の半導体発光素子が提供される。
【００６７】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１１０及び１１１について、参考例の半導体発光素子と比較しつつ説明する。
【００６８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、参考例の半導体発光素子の一部の構成を例示する模式図である。
図６（ａ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１８においては、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられていない。この図では、１つの井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１）のみを例示しているが、半導体発光素子１１８において、ＭＱＷ構造が適用された場合も、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられていない。
【００６９】
図６（ｂ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９においては、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられていない。そして、井戸層ＷＬ（この例では第１井戸層ＷＬ１）におけるＩｎ組成比ＣＩｎが変化している。すなわち、第１井戸層ＷＬ１のｎ側の障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ）に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ１１ａである。第１井戸層ＷＬ１のｐ側の障壁層ＢＬ（第１障壁層ＢＬ１）に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ１１ｂである。第２参考例において、ｘ１１ｂがｘ１１ａよりも低い場合と、ｘ１１ｂがｘ１１ａよりも高い場合とがある。この図では、１つの井戸層ＷＬのみを例示しているが、半導体発光素子１１９において、ＭＱＷ構造が適用された場合も、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられず、井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比ＣＩｎが変化している。
【００７０】
ここで、第１参考例の半導体発光素子１１８は、８つの井戸層ＷＬを有するとする。そして、半導体発光素子１１８において、井戸層ＷＬの厚さを変えて、発光波長が異なる４種類の半導体発光素子の発光強度をシミュレーションした。
【００７１】
このシミュレーションにおいては、以下の条件を用いた。障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ、第１障壁層ＢＬ１〜第８障壁層ＢＬ８）は、Ｉｎを含まないＧａＮ層であるとした。井戸層ＷＬ及び障壁層ＢＬの合計の厚さは、１４．５ｎｍとした。井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８）は、Ｉｎ０．２４Ｇａ０．７６Ｎ層とした。すなわち、Ｉｎ組成比ＣＩｎは、０．２４で一定である。井戸層ＷＬの厚さは、２．０ｎｍ、２．２５ｎｍ、２．５ｎｍ及び３ｎｍとした。これらの、井戸層ＷＬの厚さが異なる半導体発光素子を、それぞれ半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄとする。
【００７２】
同様に、第２参考例の半導体発光素子１１９は、８つの井戸層ＷＬを有するとする。そして、半導体発光素子１１９において、Ｉｎ組成比を変えて、発光波長が異なる３種類の半導体発光素子の発光強度をシミュレーションした。
【００７３】
このシミュレーションにおいては、以下の条件を用いた。障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ、第１障壁層ＢＬ１〜第８障壁層ＢＬ８）は、Ｉｎを含まないＧａＮ層であるとした。障壁層ＢＬの厚さは、１２．５ｎｍとした。井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８）のｎ形半導体層２０の側のＩｎ組成比ｘ１１ａは、０．２４とした。そして、井戸層ＷＬのｐ形半導体層５０の側のＩｎ組成比ｘ１１ｂは、０．２６または０．２８とした。そして、Ｉｎ組成比は、ｘ１１ａからｘ１１ｂに直線的に増加するとした。これらの、井戸層ＷＬのｐ形半導体層５０の側のＩｎ組成比ｘ１１ｂが異なる半導体発光素子を、それぞれ半導体発光素子１１９ａ（ｘ１１ｂ＝０．２６）及び１１９ｃ（ｘ１１ｂ＝０．２８）とする。また、ｎ形半導体層２０の側のＩｎ組成比ｘ１１ａを０．２６とし、井戸層ＷＬのｐ形半導体層５０の側のＩｎ組成比ｘ１１ｂを０．２４とし、Ｉｎ組成比が、ｘ１１ａからｘ１１ｂに直線的に低下するとした。これを半導体発光素子１１９ｂとする。
【００７４】
一方、本実施形態に係る半導体発光素子１１１は、８つの井戸層ＷＬを有するとする。そして、半導体発光素子１１１において、ｎ側中間層ＭＮ（第１ｎ側中間層ＭＮ１〜第８ｎ側中間層ＭＮ８）の厚さを変えて、発光波長が異なる３種類の半導体発光素子の発光強度をシミュレーションした。
【００７５】
このシミュレーションにおいては、以下の条件を用いた。障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ、第１障壁層ＢＬ１〜第８障壁層ＢＬ８）は、Ｉｎを含まないＧａＮ層であるとした。井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ、ｐ側中間層ＭＰ及び障壁層ＢＬの合計の厚さは、１４．５ｎｍとした。井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８）は、Ｉｎ０．２４Ｇａ０．７６Ｎ層とした。すなわち、Ｉｎ組成比ＣＩｎは、０．２４で一定である。井戸層ＷＬの厚さは、２ｎｍとした。
【００７６】
ｐ側中間層ＭＰ（第１ｐ側中間層ＭＰ１〜第８ｐ側中間層ＭＰ８）のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３ｉａからｘ３ｉｂに低下する。Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化は、＋Ｚ方向に対して直線的であるとした。ｘ３ｉａは、０．０２とした。ｘ３ｉｂは、０とした。ｐ側中間層ＭＰの厚さ（ｔｐ１〜ｔｐ８）は、３ｎｍとした。
【００７７】
ｎ側中間層ＭＮ（第１ｎ側中間層ＭＮ１〜第８ｎ側中間層ＭＮ８）のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２ｉａからｘ２ｉｂに低下する。Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化は、＋Ｚ方向に対して直線的であるとした。ｘ２ｉａは、０．２４とした。ｘ２ｉｂは、０．０２とした。ｎ側中間層ＭＮの厚さ（ｔｎ１〜ｔｎ８）を、１．０ｎｍ、２．０ｎｍまたは３ｎｍとした。これらの、ｎ側中間層ＭＮの厚さ（ｔｎ１〜ｔｎ８）厚さが異なる３種類の半導体発光素子を、それぞれ半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃする。
【００７８】
なお、半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃのいずれかおいても、ｐ側中間層ＭＰのＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、ｎ側中間層ＭＮのＩｎ組成比の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００７９】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
これらの図は、上記の半導体発光素子の発光特性のシミュレーション結果を示している。図７（ａ）は、半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃに対応する。図７（ｂ）は、半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄに対応する。図７（ｃ）は、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに対応する。横軸は、波長λ（ｎｍ）である。縦軸は、発光強度ＥＩ（任意目盛）である。
【００８０】
図７（ｂ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１８ａのピーク波長は約５２５ｎｍである。このときの発光強度ＥＩは比較的高い。第１参考例において、半導体発光素子１１８ｂ〜１１８ｄのようにピーク波長が長くなるにつれて、発光強度ＥＩは急激に低下する。ここで、半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄにおいて、それぞれのピーク波長のときの発光強度ＥＩの点を繋げると、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ８が得られる。
【００８１】
図７（ｃ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいても、ピーク波長が長くなるにつれて、発光強度ＥＩは低下する。半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいて、それぞれのピーク波長のときの発光強度ＥＩの点を繋げると、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ９が得られる。
【００８２】
図７（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃにおいても、ピーク波長が長くなるにつれて発光強度ＥＩは低下する。しかし、発光強度の低下の程度は小さい。半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃにおいて、それぞれのピーク波長のときの発光強度ＥＩの点を繋げると、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ１が得られる。
【００８３】
図８は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
この図は、図７（ａ）〜図７（ｃ）に例示した結果に基づいて作成されている。横軸は、波長λ（ｎｍ）である。縦軸は、上記の半導体発光素子のそれぞれにおけるピーク波長のときの発光強度ＥＩ（ピーク発光強度ＰＥＩ）である。同図には、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ１、ＰＥＦ８及びＰＥＦ９が描かれている。
【００８４】
図８に表したように、第１参考例のピーク発光強度曲線ＰＥＦ８は図中の最も下に位置する。第２参考例のピーク発光強度曲線ＰＥＦ９は、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ８よりも上に位置する。実施形態に係るピーク発光強度曲線ＰＥＦ１は、図中で最も上に位置する。すなわち、実施形態におけるピーク発光強度ＰＥＩは最も高い。
【００８５】
すなわち、第１参考例の半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄにおいては、ピーク波長が長くなるにつれて、ピーク発光強度ＰＥＩは急激に低下する。第２参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいては、ピーク発光強度ＰＥＩは第１参考例よりも高くなる。しかし、ピーク発光強度ＰＥＩの向上の程度は小さい。
【００８６】
これに対し、実施形態に係る半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃにおいては、ピーク発光強度ＰＥＩは、第１参考例よりも高く、第２参考例よりもさらに高い。
このように、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰを設けることにより、高い発光強度が得られる。すなわち、実施形態によれば、高効率の半導体発光素子が提供される。この発光効率の向上の効果は、特に５００ｎｍ以上の波長において高い。さらに具体的には、図８に例示したように、例えば、発光のピーク波長が５３０ｎｍ以上において、発光効率の向上の効果が顕著に表れる。
【００８７】
発明者は、第１参考例において、波長が長くなると発光強度ＥＩが低下する原因を追求した。これによると、電圧を印加した時に、ピエゾ分極が発光特性に与える悪影響が大きくなると考えられる。すなわち、ピエゾ電界に起因した量子閉じ込めシュタルク効果によって発光強度が低下している。この現象の程度は、波長が長くなると非常に大きくなる。このため、例えば５００ｎｍ以上の長波長（緑、黄及び赤など）の発光においては、発光効率が指数関数的に低下する。
【００８８】
発明者は、電圧を印加した状態における量子井戸ポテンシャル分布に対する、量子閉じ込めシュタルク効果の影響を検討した。これにより、高い発光効率が得られる特殊な構成を見出した。この構成による発光効率の向上は、特に５００ｎｍ以上の長波長の場合に特に大きく発揮される。
すなわち、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、０．１８以上である。このときに、発光部４０から放出される光のピーク波長は５００ｎｍ以上となる。このときに、発光効率の向上の効果が大きくなる。
【００８９】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。
これらの図は、発光層ＥＬにおけるバンドギャップエネルギー特性（価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢ）及び、波動関数（電子の波動関数ＷＦＥ及び正孔の波動関数ＷＦＨ）を例示している。図９（ａ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１１（１１１ａ〜１１１ｃ）及び１１０に対応する。図９（ｂ）は、第１参考例の半導体発光素子１１８（１１８ａ〜１１８ｄ）に対応する。図９（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子１１９（１１９ａ〜１１９ｃ）に対応する。これらの図においては、１つの井戸層ＷＬに関する部分を例示しているが、複数の井戸層ＷＬが設けられる場合も同様である。
【００９０】
図９（ｂ）に表したように、第１参考例において、電圧印加時においては、量子井戸内において、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとが、空間的に分離している。すなわち、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとの重なりの積分値は小さい。このため、発光再結合確率は低い。その結果、高効率な発光を得るのが難しい。この現象は、例えば、５００ｎｍ以上の長波長の場合に特に顕著になる。
【００９１】
図９（ｃ）に表したように、第２参考例においては、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとの距離が、第１参考例よりも近づく。これにより、図８に例示したように、第２参考例においては、第１参考例よりも高いピーク発光強度ＰＥＩが得られるものと考えられる。しかしながら、図９（ｃ）に例示したように、第２参考例における電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨの重なりは、十分に大きくない。
【００９２】
これに対し、図９（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子においては、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとが近接している。すなわち、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとの重なりの積分値が大きい。このため、図８に例示したように、実施形態において非常に高いピーク発光強度ＰＥＩが得られたと考えられる。
【００９３】
この特性は、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰが、井戸層ＷＬとｐ側の障壁層ＢＬとの間に設けられている構成によって得られる。
【００９４】
図９（ａ）に例示したように、実施形態において、井戸層ＷＬにおける伝導帯ＣＢは、＋Ｚ方向に沿って低下している。そして、ｎ側中間層ＭＮにおける伝導帯ＣＢは、＋Ｚ方向に沿って上昇している。このように、実施形態においては、＋Ｚ方向に沿った伝導帯ＣＢの対称性が高い。
【００９５】
さらに、実施形態においては、＋Ｚ方向に沿った価電子帯ＶＢの対称性も高い。すなわち、井戸層ＷＬとｎ側の障壁層ＢＬ（例えばｎ側障壁層ＢＬＮ）との境界におけるエネルギーＰ１は、ｎ側中間層ＭＮとｐ側中間層ＭＰとの境界におけるエネルギーＰ２と実質的に同じである。そして、ｎ側の障壁層ＢＬ（例えばｎ側障壁層ＢＬＮ）におけるエネルギーの傾きＱ１は、ｐ側中間層ＭＰ（例えば第１ｐ側中間層ＭＰ１など）におけるエネルギーの傾きＱ２と実質的に同じである。
【００９６】
このように、実施形態においては、電圧が印加された状態において、ｎ側中間層ＭＮによって、伝導帯ＣＢに対称性の高い量子井戸構造が提供される。そして、ｐ側中間層ＭＰによって、価電子帯ＶＢに対称性の高い量子井戸構造が提供される。このような量子井戸構造により、電子と正孔の分布の空間的な重なりが拡大する。これにより、高効率な発光が得られる。
【００９７】
なお、発光部４０とｐ形半導体層５０との間に、Ｉｎ組成比ＣＩｎが変化する層を設ける構成が考えられる。この構成においては、例えば、キャリア注入効率が向上する可能性がある。しかし、この構成においては、発光部４０の内部の発光層ＥＬにおける、電子と正孔の分布の空間的な重なりを制御することは困難である。このため、この機構による発光効率の向上は困難である。
これに対し、本実施形態においては、電子と正孔の分布の空間的な重なりを制御し、量子閉じ込めシュタルク効果を抑制する。これにより、発光効率を向上する。
【００９８】
種々の検討により、本実施形態に係る構成において、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くすることで、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を特に向上させることが分かった。
【００９９】
例えば、第ｉ井戸層ＷＬｉと第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に１つの中間層だけが設けられ、そのＩｎ組成比ＣＩｎの変化が一定のときは、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性が向上し難い。
【０１００】
これに対して、中間層として、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化率が高い部分を井戸層ＷＬ（第ｉ井戸層ＷＬｉ）に接して設け、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化率が低い部分をｐ側の障壁層ＢＬ（第ｉ障壁層ＢＬｉ）に接して設けることで、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性の向上の効果が大きくなる。
【０１０１】
なお、図９（ｃ）に表したように、井戸層ＷＬのＩｎ組成比ＣＩｎを傾斜させている第２参考例においては、例えば、井戸層ＷＬにおける価電子帯ＶＢのエネルギーを水平にすると、井戸層ＷＬの伝導帯ＣＢのエネルギーは大きく傾く。このように、第２参考例においては、量子井戸構造の対称性は低い。このため第２参考例による発光効率の向上には限界がある。
【０１０２】
実施形態においては、井戸層ＷＬとｐ側の障壁層ＢＬとの間にｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰを設ける新規な構成を有している。これにより発光効率を向上している。この構成は、井戸層ＷＬが１つのＳＱＷ構成に適用でき、発光効率が向上する。そして、この構成は、井戸層ＷＬが複数のＭＱＷ構成に適用できる。ＭＱＷ構成によれば、複数の井戸層ＷＬにおいて上記の効果が得られるため、さらに発光効率が高まる。
【０１０３】
本実施形態において、Ｉｎ組成比は、例えばエネルギー分散Ｘ線分光法（energy dispersive X-ray spectrometry：ＥＤＸ）などの手法によって測定できる。また、二次イオン質量分析法（Secondary ion-microprobe mass spectrometer：ＳＩＭＳ）や、Ｘ線回折装置を用いたomega-2theta scanによる構造解析手法も用いることができる。
【０１０４】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）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図である。
なお、これらの図は、１つの発光層ＥＬとして、第１発光層ＥＬ１を例示している。以下では第１発光層ＥＬ１に関して説明するが、第１発光層ＥＬ１の構成は、任意の発光層ＥＬに適用できる。
【０１０５】
図１０（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２１においては、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１よりも低い。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂよりも低い。このように、Ｉｎ組成比ＣＩｎは階段状で変化しても良い。
【０１０６】
このように、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層ＷＬ１に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１以下であり、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂ以下である。これにより、Ｉｎ組成比ＣＩｎが単調に低下する。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上し易くなる。
【０１０７】
また、第１ｐ側中間層ＭＮ１の第１障壁層ＢＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ｂは、第１障壁層ＢＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ４１以上である。これにより、Ｉｎ組成比ＣＩｎが単調に低下する。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上し易くなる。
【０１０８】
図１０（ｂ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２２においては、Ｉｎ組成比ＣＩｎが曲線的に変化している。この場合も、発光効率を向上できる。Ｉｎ組成比ＣＩｎが曲線的に変化する場合は、例えば、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化の程度が変化する部分を、ｎ側中間層ＭＮとｐ側中間層ＭＰとの境界と見なすことができる。
【０１０９】
実施形態において、２つの中間層におけるＩｎ組成比ＣＩｎの平均の変化率を制御するだけでなく、２つの中間層の中央部におけるＩｎ組成比ＣＩｎの変化率を制御しても良い。
【０１１０】
例えば、第１ｐ側中間層ＭＰ１の＋Ｚ方向に沿った中央部分におけるＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１の＋Ｚ方向に沿った中央部分におけるＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った変化率よりも低く設定できる。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上できる。
【０１１１】
図１０（ｃ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２３においては、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１よりも高い。ただし、ｘ２１ａとｘ１１との差は小さい。また、第１ｎ側中間層ＭＮ１においてＩｎ組成比ＣＩｎがｘ１１よりも高い部分の厚さは薄い。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂよりも高い。ただし、ｘ３１ａとｘ２１ｂとの差は小さい。また、第１ｐ側中間層ＭＰ１においてＩｎ組成比ＣＩｎがｘ２１ｂよりも高い部分の厚さは薄い。
【０１１２】
第ｉｎ側中間層ＭＮｉ及び第ｉｐ側中間層ＭＰｉにおいて、Ｉｎ組成比ＣＩｎが局所的に高い部分や低い部分が設けられる場合においても、それらの部分が全体に対して十分に小さい場合は、これらの部分は実質的に無視できる。その場合には、全体のＩｎ組成比ＣＩｎは、第１井戸層ＷＬ１から第１障壁層ＢＬ１に向けて低下していると見なせる。そして、この場合も、第１ｐ側中間層ＭＰ１における変化率は、第１ｎ側中間層ＭＮ１における変化率よりも低い。このような構成においても、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上でき、発光効率を向上できる。
【０１１３】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）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図である。
なお、これらの図は、１つの発光層ＥＬとして、第１発光層ＥＬ１を例示している。以下では第１発光層ＥＬ１に関して説明するが、第１発光層ＥＬ１の構成は、任意の発光層ＥＬに適用できる。
【０１１４】
図１１（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２４においては、第１ｎ側中間層ＭＮ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎが階段状で変化している。この場合も、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って低下している。
【０１１５】
図１１（ｂ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２５においては、第１ｐ側中間層ＭＰ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎが階段状で変化している。この場合も、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って低下している。
半導体発光素子１２４及び１２５においても、高効率の半導体発光素子が得られる。
【０１１６】
なお、図１（ｂ）に表したように、複数の発光層ＥＬが設けられ、第２発光層ＥＬ２が、第１発光層ＥＬ１とｐ形半導体層５０との間に設けられるとする。このとき、第１障壁層ＢＬ１は、第２井戸層ＷＬ２に接することが望ましい。すなわち、例えば、第１障壁層ＢＬ１と第２井戸層ＷＬ２との間には、中間層を設けない。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性が向上し易い。
【０１１７】
例えば、第１井戸層ＷＬ１は、ｎ側障壁層ＢＬＮと接することが望ましい。
例えば、第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）が、第ｉ発光層ＥＬｉとｐ形半導体層５０との間に設けられる場合、第ｉ障壁層ＢＬｉは、第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）に接することが望ましい。
【０１１８】
また、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂは、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１の１／４以下とすることが望ましい。例えば、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１が０．１８以上である場合に、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂは、０．０４５以下にすることができる。さらに、このとき、Ｉｎ組成比ｘ２１ｂは、０．０３以下にすることができる。
【０１１９】
これにより、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を十分高くできる。これにより、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くし易くなる。これにより、発光効率を安定して向上できる。
【０１２０】
第１ｐ側中間層ＭＰ１の厚さ（第１ｐ側中間層厚ｔｐ１）は、第１ｎ側中間層ＭＮ１の厚さ（第１ｎ側中間層厚ｔｎ１）以上であることが望ましい。また、第１ｐ側中間層ＭＰ１の厚さ（第１ｐ側中間層厚ｔｐ１）は、第１井戸層ＷＬ１の厚さ（第１井戸層厚ｔｗ１）以上であることが望ましい。これにより、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くし易くなる。
【０１２１】
一方、第１ｎ側中間層ＭＮ１の厚さ（第１ｎ側中間層厚ｔｎ１）は、第１井戸層ＷＬ１の厚さ（第１井戸層厚ｔｗ１）と同程度とすることができる。より具体的には、第１ｎ側中間層厚ｔｎ１は、第１井戸層厚ｔｗ１の１／２以上、２倍以下とすることができる。これにより、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くし易くなる。
【０１２２】
第１井戸層ＷＬ１（第ｉ井戸層ＷＬｉ）の厚さは、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ未満とすることができる。より好ましくは、第１井戸層ＷＬ１（第ｉ井戸層ＷＬｉ）の厚さは、１ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。第ｉ井戸層ＷＬｉの厚さが１ｎｍより薄いと、５００ｎｍ以上の長波長の発光を得ることが難しい。第ｉ井戸層ＷＬｉの厚さが５ｎｍよりも厚いと結晶品質が劣化し易い。さらに、第ｉ井戸層ＷＬｉの厚さが５ｎｍよりも厚いと、電子と正孔の波動関数の空間的分離が大きくなり、発光強度が弱くなる傾向がある。
【０１２３】
第１ｎ側中間層ＭＮ１（第ｉｎ側中間層ＭＮｉ）の厚さは、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ未満とすることができる。
【０１２４】
一方、第１ｐ側中間層ＭＰ１（第ｉｐ側中間層ＭＰｉ）の厚さは、例えば３ｎｍ以上８ｎｍ以下とすることができる。
【０１２５】
例えば、第１障壁層ＢＬ１（第ｉ障壁層ＢＬｉ）は、実質的にｐ形不純物を含まない。例えば、第１障壁層ＢＬ１（第ｉ障壁層ＢＬｉ）におけるｐ形不純物の濃度は、ｐ形半導体層５０に含まれるｐ形不純物の濃度よりも低い。
【０１２６】
また、実施形態において、第１井戸層ＷＬ１（第ｉ井戸層ＷＬｉ）は、III族元素中におけるＩｎの濃度が＋Ｚ方向に沿って一定である部分を有することができる。このような井戸層ＷＬとｎ側中間層ＭＮとｐ側中間層ＭＰとを組み合わせることで、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性が向上し易い。
【０１２７】
以下、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の例について説明する。
まず、基板１０を、例えば１１００℃のサセプタ温度でサーマルクリーニングを行う。
【０１２８】
次に、サセプタ温度を例えば５００℃に下げ、基板１０上に、バッファ層１１を形成する。バッファ層１１には、例えばＧａＮ層が用いられる。
【０１２９】
次に、サセプタ温度を例えば１１２０℃まで上げ、下地層２１を形成する。下地層２１には、例えばｎ形ＧａＮ層が用いられる。続いて、ｎ側コンタクト層２２を形成する。ｎ側コンタクト層には、例えばＳｉをドープしたＧａＮ層が用いられる。
キャリアガスをＨ２からＮ２に変え、サセプタ温度を８１０℃まで下げ、多層積層体２３を形成する。薄膜層ＳＢには、例えば、Ｉｎ０．０８Ｇａ０．０２Ｎ層が用いられる。薄膜層ＳＢの厚さは、例えば１ｎｍとされる。厚膜層ＳＡには、例えばＧａＮ層が用いられる。厚膜層ＳＡの厚さは、例えば３ｎｍとされる。これらの薄膜層ＳＢ及び厚膜層ＳＡを交互に形成する。薄膜層ＳＢの数は、例えば２０とされる、厚膜層ＳＡの数は、例えば２１とされる。薄膜層ＳＢにおけるＩｎ組成比ＣＩｎは、井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比ＣＩｎよりも低いことが望ましい。
【０１３０】
続いて、ｎ側障壁層ＢＬＮを形成する。ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さは、例えば３ｎｍ以上２０ｎｍ以下が望ましい。ｎ側障壁層ＢＬＮの形成の際のサセプタ温度は多層積層体２３の成長時に用いたサセプタ温度以上であることが好ましい。例えば、９５０℃とすることができる。ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さが厚いと、平坦性が良好になる。ただし、ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さが２０ｎｍよりも厚いときは、多層積層体２３が発光層ＥＬに与える影響が小さくなる。ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さが３ｎｍより薄いと、表面の平坦性が十分でない。ｎ側障壁層ＢＬＮの形成において、サセプタ温度が１０００℃以下の場合は、キャリアガスにはＮ２を用いることが望ましい。ただし、キャリアガスには、Ｎ２とＨ２との混合ガスを用いても良い。このとき、Ｈ２ガスの流量がガスの総流量の半分以下であることが望ましい。
【０１３１】
その後、サセプタ温度を７００℃以上８００℃以下に下げる。そして、井戸層ＷＬを形成する。その後、ｎ側中間層ＭＮを形成する。ｎ側中間層ＭＮの形成は、例えば、井戸層ＷＬの形成と連続して行われる。ｎ側中間層ＭＮの形成においては、時間とともにＩｎ元素の原料ガスの流量を減らす。さらに、ｐ側中間層ＭＰを形成する。井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰの形成においては、Ｉｎ元素の原料ガスの流量が例えば自動制御される。これにより、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化率、及び、各層の厚さが適切に制御される。また、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰの形成においては、サセプタ温度や圧力を変化させることで、結晶表面へのＩｎ元素の取り込みを変化させることもできる。例えば、ｐ側中間層ＭＰの形成において、Ｉｎ元素の原料ガスの流量は一定としながら、サセプタ温度を障壁層ＢＬの成長温度まで昇温する。サセプタ温度が高いほどＩｎ元素の結晶表面への取り込みは減少するので、サセプタ温度が上昇する組成が傾斜されたｐ側中間層ＭＰが形成される。
引き続いて、障壁層ＢＬを形成する。障壁層ＢＬには、例えばＧａＮ層が用いられる。障壁層ＢＬの形成の温度は、井戸層ＷＬの形成の温度以上であることが望ましい。このとき、障壁層ＢＬの形成の温度と、井戸層ＷＬの形成の温度と、の差は、２００℃以下とされる。障壁層ＢＬの形成の温度が井戸層ＷＬの形成の温度と同じときは、障壁層ＢＬにピットが発生し易い。このため、障壁層ＢＬの形成の温度は、井戸層ＷＬの形成の温度よりも高いことが望ましい。障壁層ＢＬの形成の温度と井戸層ＷＬの形成の温度との差が２００℃よりも大きいと、井戸層ＷＬが劣化する場合がある。
また、昇温時に結晶の成長を中断することで、固層のＩｎを拡散させ、中間層を形成することもできる。
【０１３２】
上記の井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ、ｐ側中間層ＭＰ及び障壁層ＢＬの形成を繰り返す。これにより発光部４０が形成される。
【０１３３】
発光部４０の上に、第３ｐ形層５３、第２ｐ形層５２及び第１ｐ形層５１を順次形成する。これにより、ｐ形半導体層５０が形成される。
これにより、積層構造体１０ｓが形成される。
【０１３４】
この後、積層構造体１０ｓを加工し、ｎ側電極７０及びｐ側電極８０を形成する。これにより、実施形態に係る半導体発光素子が得られる。
【０１３５】
実施形態に係る半導体発光素子における各半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、及び、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＰＶＥ）法などを用いることができる。
【０１３６】
各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。
Ｇａの原料として、例えば、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）などを用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料として、例えば、ＳｉＨ４（モノシラン）などを用いることができる。Ｍｇの原料として、例えば、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）などを用いることができる。
【０１３７】
実施形態によれば、高効率の半導体発光素子が提供される。
【０１３８】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成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、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素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。
【０１３９】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１４０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、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、発光部、発光層、井戸層、障壁層、中間層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、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。
【０１４１】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１４２】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１４３】
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。
【符号の説明】
【０１４４】
１０…基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…積層構造体、 １１…バッファ層、 ２０…ｎ形半導体層、 ２１…下地層、 ２２…ｎ側コンタクト層、 ２３…多層構造体、 ４０…発光部、 ５０…ｐ形半導体層、 ５１…第１ｐ形層、 ５２…第２ｐ形層、 ５３…第３ｐ形層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０、１１１、１１１ａ〜１１１ｃ、１１８、１１８ａ〜１１８ｄ、１１９、１１９ａ〜１１９ｃ、１２１〜１２５…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬｉ…第１〜第ｉ障壁層、 ＢＬＮ…ｎ側障壁層、 ＣＢ…伝導帯、 ＣＩｎ…Ｉｎ組成比、 ＥＬ…発光強度、 ＥＬ…発光層、 ＥＬ１〜ＥＬｉ、ＥＬｎ…第１〜第ｉ発光層、第ｎ発光層、 ＭＮ…ｎ側中間層、 ＭＮ１〜ＭＮｉ…第１〜第ｉｎ側中間層、 ＭＰ…ｐ側中間層、 ＭＰ１〜ＭＰｉ…第１〜第ｉｐ側中間層、 Ｐ１、Ｐ２…エネルギー、 ＰＥＦ１、ＰＥＦ８、ＰＥＦ９…ピーク発光強度曲線、 ＰＥＩ…ピーク発光強度、 Ｑ１、Ｑ２…傾き、 ＳＡ…厚膜層、 ＳＡ１〜ＳＡｉ、ＳＡｍ、ＳＡ（ｍ＋１）、ＳＡｉ…第１〜第ｉ厚膜層、第ｍ厚膜層、第（ｍ＋１）厚膜層、 ＳＢ…薄膜層、 ＳＢ１〜ＳＢｉ、ＳＢｍ…第１〜第ｉ薄膜層、第ｍ薄膜層、 ＶＢ…価電子帯、 ＷＦＥ、ＷＦＨ…波動関数、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬｉ…第１〜第ｉ井戸層、 ｔｂ１、ｔｂ２…第１、第２障壁層厚、 ｔｎ１、ｔｎ２…第１、第２ｎ側中間層厚、 ｔｐ１、ｔｐ２…第１、第２ｐ側中間層厚、 ｔｗ１、ｔｗ２…第１、第２井戸層厚、 ｘ１１、ｘ１１ａ、ｘ１１ｂ、ｘ２１、ｘ２１ａ、ｘ２１ｂ、ｘ３１、ｘ３１ａ、ｘ３１ｂ、ｘ４１、ｘ１２、ｘ２２、ｘ２２ａ、ｘ２２ｂ、ｘ３２、ｘ３２ａ、ｘ３２ｂ、ｘ４２、ｘ４Ｎ…III族元素中におけるＩｎ組成比
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、例えば、表示装置や照明などに用いられている。また、レーザダイオード（ＬＤ）は、例えば、高密度記憶ディスクへの読み書きのための光源などに用いられている。
このような半導体発光素子において、高効率化が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３５６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光部と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光部は、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る。前記発光部は、第１発光層を含む。前記第１発光層は、窒化物半導体を含む第１障壁層と、前記ｎ形半導体層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層と、前記第１井戸層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層と、前記第１ｎ側中間層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層と、を含む。前記第１ｎ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下する。前記第１ｐ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第１方向に沿って低下する。前記第１ｐ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率は、前記第１ｎ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図３】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図５】実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、参考例の半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図８】半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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率などは、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率が異なって表される場合もある。
なお、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。
【０００８】
（実施の形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）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３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４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５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。 まず、図２を参照しつつ、実施形態に係る半導体発光素子の構成の概要について説明する。
【０００９】
図２に表したように、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、発光部４０と、を備える。発光部４０は、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層５０との間に設けられる。後述するように、発光部４０は、発光層（例えば第１発光層）を含む。
【００１０】
例えば、ｎ形半導体層２０は、ｎ側コンタクト層２２を含むことができる。ｎ側コンタクト層２２は、例えば、下地層２１と発光部４０との間に設けられる。下地層２１には、例えばＧａＮ層が用いられる。ｎ側コンタクト層２２には、ｎ形の不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物として、例えばＳｉ（シリコン）が用いられる。
【００１１】
本具体例では、ｎ形半導体層２０は、多層積層体２３をさらに含む。多層積層体２３は、ｎ側コンタクト層２２と発光部４０との間に設けられる。多層積層体２３は必要に応じて設けられ、場合によっては省略できる。多層積層体２３については後述する。
【００１２】
ｐ形半導体層５０は、例えば、第１ｐ形層５１、第２ｐ形層５２及び第３ｐ形層５３を含むことができる。第２ｐ形層５２は、第１ｐ形層５１と発光部４０との間に設けられる。第３ｐ形層５３は、第２ｐ形層５２と発光部４０との間に設けられる。第３ｐ形層５３には、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層が用いられる。第３ｐ形層５３は、例えば、電子オーバーフロー抑制層（電子オーバーフロー防止層）として機能することができる。第２ｐ形層５２には、Ｍｇをドープしたｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層５１には、高濃度でＭｇをドープしたｐ形ＧａＮ層を用いることができる。第１ｐ形層５１は、コンタクト層として機能する。ｐ形不純物として、例えばＭｇ（マグネシウム）が用いられる。
【００１３】
半導体発光素子１１０においては、ｎ形半導体層２０、発光部４０及びｐ形半導体層５０を含む積層構造体１０ｓが設けられている。この例では、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａの側の一部が選択的に除去されている。これにより、第１主面１０ａの側にｎ形半導体層２０の一部が露出している。この露出している部分にｎ側電極７０が設けられている。ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０に接する。実施形態はこれに限らず、ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０の第２主面１０ｂの側に設けられても良い。ｎ側電極７０としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜が用いられる。
【００１４】
ｐ側電極８０は、ｐ形半導体層５０に接する。ｐ側電極８０には、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などが用いられる。また、ｐ側電極８０には、ニッケル−金（Ｎｉ／Ａｕ）などの複合膜を用いることができる。
【００１５】
半導体発光素子１１０は、さらに、基板１０と、バッファ層１１と、を備えている。基板１０及びバッファ層１１は、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００１６】
基板１０には、例えばサファイアが用いられる。例えば、基板１０には、サファイア（０００１）基板が用いられる。さらに、基板１０には、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはＧａＮ基板を用いても良い。また、サファイア基板において、（０００１）以外の面の基板を用いても良い。基板１０の上にバッファ層１１が形成される。バッファ層１１には、例えばＧａＮ層が用いられる。バッファ層１１の上に、ｎ形半導体層２０、発光部４０及びｐ形半導体層５０が順次形成される。バッファ層１１の上に上記の半導体層を形成した後に、基板１０を除去しても良い。
【００１７】
ここで、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層５０に向かう方向を＋Ｚ方向とする。
【００１８】
図３は、多層積層体２３の構成の例を示している。
図３に表したように、多層積層体２３は、＋Ｚ方向に沿って交互に積層された複数の厚膜層ＳＡと複数の薄膜層ＳＢとを含む。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの厚さと同じ、または厚膜層ＳＡよりも薄い厚さを有する。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの組成とは異なる組成を有する。
【００１９】
例えば、複数の薄膜層ＳＢは、第１薄膜層ＳＢ１〜第ｍ薄膜層ＳＢｍを含む。ここで、「ｍ」は２以上の整数である。複数の厚膜層ＳＡは、第１厚膜層ＳＡ１〜第ｍ厚膜層ＳＡｍを含む。複数の厚膜層ＳＡは、第（ｍ＋１）厚膜層ＳＡ（ｍ＋１）をさらに含んでも良い。
【００２０】
本具体例では、薄膜層ＳＢの数である「ｍ」は２０である。そして、厚膜層ＳＡの数はｍ＋１であり、２１である。ただし、実施形態はこれに限らず、「ｍ」は２以上の任意の整数である。
多層積層体２３は、例えば超格子構造を有することができる。
【００２１】
厚膜層ＳＡの厚さは、例えば、３ナノメートル（ｎｍ）以下に設定される。さらに具体的には、厚膜層ＳＡの厚さは、例えば、１ｎｍ以上３ｎｍ以下である。薄膜層ＳＢの厚さは、例えば、１．５ｎｍ未満であり、かつ、厚膜層ＳＡの厚さ以下である。これにより、多層積層体２３は、超格子構造を有することができる。
【００２２】
多層積層体２３は、窒化物半導体を含むことができる。
具体的には、例えば、厚膜層ＳＡはＧａＮを含む。薄膜層ＳＢは、ＩｎＧａＮを含む。 厚膜層ＳＡには、例えば実質的にＩｎを含まないＧａＮ層が用いられる。薄膜層ＳＢには、例えばＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層が用いられる。薄膜層ＳＢにおけるＩｎ濃度は、これに限らず、良好な結晶品質が得られる範囲で任意である。
例えば、薄膜層ＳＢのバンドギャップエネルギーは、複数の厚膜層ＳＡのバンドギャップエネルギーよりも小さい。ここで、本願明細書において、各層のバンドギャップエネルギーとは、ひずみや量子効果の影響を受けていない、それぞれの層が持つ組成で決定されるバルク状態におけるバンドギャップエネルギーのことを言う。
【００２３】
図４は、発光部４０の構成の例を示している。
図４に表したように、半導体発光素子１１０においては、発光部４０は、１つの発光層ＥＬ（第１発光層ＥＬ１）を含む。第１発光層ＥＬ１は、窒化物半導体を含む第１障壁層ＢＬ１と、ｎ形半導体層２０と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層ＷＬ１と、第１井戸層ＷＬ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層ＭＮ１と、第１ｎ側中間層ＭＮ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層ＭＰ１と、を含む。
【００２４】
なお、第１井戸層ＷＬ１とｎ形半導体層２０との間に、ｎ側障壁層ＢＬＮが設けられている。ｎ側障壁層ＢＬＮは、発光層ＥＬ（第１発光層ＥＬ１）に含まれることができる。すなわち、第１発光層ＥＬ１は、ｎ形半導体層２０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられ、第１井戸層ＷＬ１に接するｎ側障壁層ＢＬＮをさらに含むことができる。
【００２５】
この例では、井戸層ＷＬが１つである。このように、発光部４０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有することができる。
【００２６】
図５は、実施形態に係る別の半導体発光素子１１１における発光部４０の構成の例を示している。
半導体発光素子１１１における発光部４０以外の構成は、図２に例示した半導体発光素子１１０の構成と同様なので説明を省略する。
図５に表したように、発光部４０は、複数の発光層ＥＬを含む。複数の発光層ＥＬは、例えば、第１発光層ＥＬ１、第２発光層ＥＬ２、第３発光層ＥＬ３及び第４発光層ＥＬ４などを含む。すなわち、複数の発光層ＥＬは、第１発光層ＥＬ１〜第ｎ発光層ＥＬｎを含む。ここで、「ｎ」は２以上の整数である。
【００２７】
第ｉ発光層ＥＬｉと第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）とのＺ軸方向に沿った関係は任意である。ここで、「ｉ」は１以上の整数である。第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）は、第ｉ発光層ＥＬｉとｎ形半導体層２０との間に設けられても良く、第ｉ発光層ＥＬｉとｐ形半導体層５０との間に設けられても良い。また、第ｉ発光層ＥＬｉと第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）との間に第ｊ発光層ＥＬｊが設けられても良い。ここで、「ｊ」は、ｉとは異なり、（ｉ＋１）とも異なる１以上の整数である。
【００２８】
この例では、発光層ＥＬは４つである。ただし、実施形態はこれに限らない。発光層ＥＬの数は２以上であり、任意である。
【００２９】
複数の発光層ＥＬのそれぞれは、障壁層ＢＬと、井戸層ＷＬと、ｎ側中間層ＭＮと、ｐ側中間層ＭＰと、を含む。障壁層ＢＬ、井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰは、窒化物半導体を含む。
【００３０】
第ｉ発光層ＥＬｉにおいて、第ｉ井戸層ＷＬｉは、ｎ形半導体層２０と第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に設けられる。
【００３１】
第ｉ井戸層ＷＬｉのバンドギャップエネルギーは、第ｉ障壁層ＢＬｉのバンドギャップエネルギーよりも小さい。例えば、第１井戸層ＷＬ１のバンドギャップエネルギーは、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第ｉ井戸層ＷＬｉのバンドギャップエネルギーは、ｎ側障壁層ＢＬＮのバンドギャップエネルギーよりも小さい。
【００３２】
第ｉｎ側中間層ＭＮｉは、第ｉ井戸層ＷＬｉと第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に設けられる。第ｉｐ側中間層ＭＰｉは、第ｉｎ側中間層ＭＮｉと第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に設けられる。
【００３３】
ただし、複数の発光層ＥＬの少なくとも２つが上記の構成を有していれば良い。例えば２つを除く発光層ＥＬにおいては、ｎ側中間層ＭＮまたはｐ側中間層ＭＰが設けられなくても良い。
【００３４】
すなわち、第１発光層ＥＬ１は、窒化物半導体を含む第１障壁層ＢＬ１と、ｎ形半導体層２０と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層ＷＬ１と、第１井戸層ＷＬ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層ＭＮ１と、第１ｎ側中間層ＭＮ１と第１障壁層ＢＬ１との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層ＭＰ１と、を含む。
【００３５】
さらに、発光部４０は、＋Ｚ方向に沿って第１発光層ＥＬと積層された第２発光層ＥＬ２をさらに含む。
ここで、本願明細書において、「積層」とは、互いに接触して重ねられる場合の他に、間の他の要素が挟まれた状態で重ねられる場合も含む。
【００３６】
第２発光層ＥＬ２は、窒化物半導体を含む第２障壁層ＢＬ２と、ｎ形半導体層２０と第２障壁層ＢＬ２との間に設けられ窒化物半導体を含む第２井戸層ＷＬ２と、第２井戸層ＷＬ２と第２障壁層ＢＬ２との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｎ側中間層ＭＮ２と、第２ｎ側中間層ＭＮ２と第２障壁層ＢＬ２との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｐ側中間層ＭＰ２と、を含む。
【００３７】
図５に示した例では、第１発光層ＥＬ１は、４つの発光層ＥＬの中で最もｎ形半導体層２０に近い。そして、第２発光層ＥＬ２は、４つの発光層ＥＬの中で２番目にｎ形半導体層２０に近い。ただし、実施形態は、これに限らない。複数の発光層ＥＬのうちで、第１発光層ＥＬ１の位置は任意である。また、複数の発光層ＥＬのうちで、第２発光層ＥＬの位置は任意である。
【００３８】
以下では、２つ以上の発光層ＥＬが設けられる場合において、第２発光層ＥＬ２が第１発光層ＥＬ１とｐ形半導体層５０との間に設けられる場合として説明する。
【００３９】
なお、複数の発光層ＥＬのうちで、ｎ形半導体層２０に最も近い井戸層ＷＬとｎ形半導体層２０との間に、ｎ側障壁層ＢＬＮが設けられている。ｎ側障壁層ＢＬＮは、発光層ＥＬに含まれることができる。
以上のように、半導体発光素子１１１の発光部４０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有している。
【００４０】
以下、発光部４０の構成の例について説明する。
図１（ａ）は、半導体発光素子１１０の発光部４０の構成を例示している。図１（ｂ）は、半導体発光素子１１１の発光部４０における２つの発光層ＥＬに関して例示している。
【００４１】
これらの図は、半導体層のそれぞれのIII族元素中におけるＩｎ組成比を例示している。横軸は、＋Ｚ方向の位置である。縦軸は、Ｉｎ組成比ＣＩｎである。Ｉｎ組成比ＣＩｎは、III族元素中におけるＩｎの組成比である。
【００４２】
図１（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０において、井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１）は、Ｉｎｘ１１Ｇａ１−ｘ１１Ｎ（０．１８≦ｘ１１＜１）を含む。ここで、ｘ１１は、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
ｎ側中間層ＭＮ（第１ｎ側中間層ＭＮ１）は、Ｉｎｘ２１Ｇａ１−ｘ２１Ｎ（０＜ｘ２１≦ｘ１１）を含む。ここで、ｘ２１は、第１ｎ側中間層ＭＮ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
ｐ側中間層ＭＰ（第１ｐ側中間層ＭＰ１）は、Ｉｎｘ３１Ｇａ１−ｘ３１Ｎ（０＜ｘ３１≦ｘ２１）を含む。ここで、ｘ３１は、第１ｐ側中間層ＭＰ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
障壁層ＢＬ（第１障壁層ＢＬ１）は、Ｉｎｘ４１Ｇａ１−ｘ４１Ｎ（０≦ｘ４１≦ｘ３１）を含む。ここで、ｘ４１は、第１障壁層ＢＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。例えば、第１障壁層ＢＬ１は、ＧａＮ層である。
【００４３】
そして、第１ｎ側中間層ＭＮ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。
【００４４】
第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００４５】
例えば、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２１ａである。第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２１ｂである。第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ２１ａからｘ２１ｂに低下する。
【００４６】
第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えば、ｘ２１ａとｘ２１ｂとの差を、第１ｎ側中間層ＭＮ１の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第１ｎ側中間層厚ｔｎ１）で割ったものである。すなわち、第１ｎ側中間層ＭＮ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２１）の平均の変化率は、（ｘ２１ａ−ｘ２１ｂ）／ｔｎ１である。
【００４７】
同様に、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３１ａである。第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１障壁層ＢＬ１に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３１ｂである。第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ３１ａからｘ３１ｂに低下する。
【００４８】
第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えば、ｘ３１ａとｘ３１ｂとの差を、第１ｐ側中間層ＭＰ１の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第１ｐ側中間層厚ｔｐ１）で割ったものである。すなわち、第１ｐ側中間層ＭＰ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３１）の平均の変化率は、（ｘ３１ａ−ｘ３１ｂ）／ｔｐ１である。
（ｘ３１ａ−ｘ３１ｂ）／ｔｐ１は、（ｘ２１ａ−ｘ２１ｂ）／ｔｎ１よりも低い。
【００４９】
このように、本実施形態においては、２つの中間層が設けられ、ｎ側中間層ＭＮにおけるＩｎ組成比の平均の変化率が、ｐ側中間層ＭＰにおけるＩｎ組成比ＣＩｎの平均の変化率よりも高い。すなわち、ｎ側中間層ＭＮにおいて、Ｉｎ組成比ＣＩｎは、急激に低下する。そして、ｐ側中間層ＭＰにおいては、Ｉｎ組成比ＣＩｎは緩やかに低下する。
【００５０】
なお、本具体例では、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層ＷＬ１に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１と同じである。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂと同じである。このように、本具体例では、Ｉｎ組成比ＣＩｎは連続的に変化している。
【００５１】
なお、ｎ側障壁層ＢＬＮは、Ｉｎｘ４ＮＧａ１−ｘ４ＮＮ（０≦ｘ４Ｎ≦ｘ３１）を含む。ここで、ｘ４Ｎは、ｎ側障壁層ＢＬＮのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。例えば、ｎ側障壁層ＢＬＮは、ＧａＮ層である。
【００５２】
これにより、高効率の半導体発光素子が提供される。半導体発光素子の特性については後述する。
【００５３】
このような構成が、複数の発光層ＥＬにおいても適用される。
すなわち、図１（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１１の第１発光層ＥＬ１の構成は、半導体発光素子１１０と同様である。なお、図１（ｂ）における縦横の比率は、図１（ａ）から変更されている。
【００５４】
半導体発光素子１１１の第２発光層ＥＬ２において、第２井戸層ＷＬ２は、Ｉｎｘ１２Ｇａ１−ｘ１２Ｎ（０．１８≦ｘ１２＜１）を含む。ここで、ｘ１２は、第２井戸層ＷＬ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第２ｎ側中間層ＭＮ２は、Ｉｎｘ２２Ｇａ１−ｘ２２Ｎ（０＜ｘ２２≦ｘ１２）を含む。ここで、ｘ２２は、第２ｎ側中間層ＭＮ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第２ｐ側中間層ＭＰ２は、Ｉｎｘ３２Ｇａ１−ｘ３２Ｎ（０＜ｘ３２≦ｘ２２）を含む。ここで、ｘ３２は、第２ｐ側中間層ＭＰ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第２障壁層ＢＬ２は、Ｉｎｘ４２Ｇａ１−ｘ４２Ｎ（０≦ｘ４２≦ｘ３２）を含む。ここで、ｘ４２は、第２障壁層ＢＬ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比である。例えば、第２障壁層ＢＬ２は、ＧａＮ層である。
【００５５】
そして、第２ｎ側中間層ＭＮ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。第２ｐ側中間層ＭＰ２のIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。
【００５６】
第２ｐ側中間層ＭＰ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、第２ｎ側中間層ＭＮ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００５７】
例えば、第２ｎ側中間層ＭＮ２の第２井戸層ＷＬ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２２ａである。第２ｎ側中間層ＭＮ２の第２ｐ側中間層ＭＰ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２２ｂである。第２ｎ側中間層ＭＮ２のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ２２ａからｘ２２ｂに低下する。
【００５８】
第２ｎ側中間層ＭＮ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えばｘ２２ａとｘ２２ｂとの差を、第２ｎ側中間層ＭＮ２の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第２ｎ側中間層厚ｔｎ２）で割ったものである。すなわち、第２ｎ側中間層ＭＮ２におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２２）の平均の変化率は、（ｘ２２ａ−ｘ２２ｂ）／ｔｎ２である。
【００５９】
同様に、第２ｐ側中間層ＭＰ２の第２ｎ側中間層ＭＮ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３２ａである。第２ｐ側中間層ＭＰ２の第２障壁層ＢＬ２に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３２ｂである。第２ｐ側中間層ＭＰ２のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ３２ａからｘ３２ｂに低下する。
【００６０】
第２ｐ側中間層ＭＰ２のＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、例えばｘ３２ａとｘ３２ｂとの差を、第２ｐ側中間層ＭＰ２の＋Ｚ方向に沿った厚さ（第２ｐ側中間層厚ｔｐ２）で割ったものである。すなわち、第２ｐ側中間層ＭＰ２におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３２）の平均の変化率は、（ｘ３２ａ−ｘ３２ｂ）／ｔｐ２である。
（ｘ３２ａ−ｘ３２ｂ）／ｔｐ２は、（ｘ２２ａ−ｘ２２ｂ）／ｔｎ２よりも低い。
【００６１】
なお、第１井戸層ＷＬ１の厚さは、第１井戸層厚ｔｗ１である。第２井戸層ＷＬ２の厚さは、第２井戸層厚ｔｗ２である。第１障壁層ＢＬ１の厚さは、第１障壁層厚ｔｂ１である。第２障壁層ＢＬ２の厚さは、第２障壁層厚ｔｂ２である。
【００６２】
例えば、第ｉ井戸層ＷＬｉは、Ｉｎｘ１ｉＧａ１−ｘ１ｉＮ（０．１８≦ｘ１ｉ＜１）を含む。ここで、ｘ１ｉは、第ｉ井戸層ＷＬのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第ｉｎ側中間層ＭＮｉは、Ｉｎｘ２ｉＧａ１−ｘ２ｉＮ（０＜ｘ２ｉ≦ｘ１ｉ）を含む。ここで、ｘ２ｉは、第ｉｎ側中間層ＭＮｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第ｉｐ側中間層ＭＰｉ）は、Ｉｎｘ３ｉＧａ１−ｘ３ｉＮ（０＜ｘ３ｉ≦ｘ２ｉ）を含む。ここで、ｘ３ｉは、第ｉｐ側中間層ＭＰｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
第ｉ障壁層ＢＬｉは、Ｉｎｘ４ｉＧａ１−ｘ４ｉＮ（０≦ｘ４ｉ≦ｘ３ｉ）を含む。ここで、ｘ４ｉは、第ｉ障壁層ＢＬｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比である。
【００６３】
そして、第ｉｎ側中間層ＭＮｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２ｉ）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。そして、第ｉｐ側中間層ＭＰｉのIII族元素中におけるＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３ｉ）は、＋Ｚ方向に沿って低下する。
【００６４】
第ｉｐ側中間層ＭＰｉのＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ３ｉ）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、第ｉｎ側中間層ＭＮｉのＩｎ組成比ＣＩｎ（ｘ２ｉ）の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００６５】
例えば、第ｉｎ側中間層ＭＮｉの第ｉ井戸層ＷＬｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２ｉａである。第ｉｎ側中間層ＭＮｉの第ｉｐ側中間層ＭＰｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２ｉｂである。第ｉｎ側中間層ＭＮｉのＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ２ｉａからｘ２ｉｂに低下する。そして、第ｉｎ側中間層ＭＮｉの＋Ｚ方向に沿った厚さを第ｉｎ側中間層厚ｔｎｉとする。
【００６６】
第ｉｐ側中間層ＭＰｉの第ｉｎ側中間層ＭＮｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３ｉａである。第ｉｐ側中間層ＭＰｉの第ｉ障壁層ＢＬｉに接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３ｉｂである。第ｉｐ側中間層ＭＰｉのＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って、ｘ３ｉａからｘ３ｉｂに低下する。第ｉｐ側中間層ＭＰｉの＋Ｚ方向に沿った厚さを第ｉｐ側中間層厚ｔｐｉとする。
このとき、（ｘ３ｉａ−ｘ３ｉｂ）／ｔｐｉは、（ｘ２ｉａ−ｘ２ｉｂ）／ｔｎｉよりも低い。
これにより、高効率の半導体発光素子が提供される。
【００６７】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１１０及び１１１について、参考例の半導体発光素子と比較しつつ説明する。
【００６８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、参考例の半導体発光素子の一部の構成を例示する模式図である。
図６（ａ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１８においては、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられていない。この図では、１つの井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１）のみを例示しているが、半導体発光素子１１８において、ＭＱＷ構造が適用された場合も、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられていない。
【００６９】
図６（ｂ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９においては、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられていない。そして、井戸層ＷＬ（この例では第１井戸層ＷＬ１）におけるＩｎ組成比ＣＩｎが変化している。すなわち、第１井戸層ＷＬ１のｎ側の障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ）に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ１１ａである。第１井戸層ＷＬ１のｐ側の障壁層ＢＬ（第１障壁層ＢＬ１）に接する部分のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ１１ｂである。第２参考例において、ｘ１１ｂがｘ１１ａよりも低い場合と、ｘ１１ｂがｘ１１ａよりも高い場合とがある。この図では、１つの井戸層ＷＬのみを例示しているが、半導体発光素子１１９において、ＭＱＷ構造が適用された場合も、ｎ側中間層及びｐ側中間層が設けられず、井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比ＣＩｎが変化している。
【００７０】
ここで、第１参考例の半導体発光素子１１８は、８つの井戸層ＷＬを有するとする。そして、半導体発光素子１１８において、井戸層ＷＬの厚さを変えて、発光波長が異なる４種類の半導体発光素子の発光強度をシミュレーションした。
【００７１】
このシミュレーションにおいては、以下の条件を用いた。障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ、第１障壁層ＢＬ１〜第８障壁層ＢＬ８）は、Ｉｎを含まないＧａＮ層であるとした。井戸層ＷＬ及び障壁層ＢＬの合計の厚さは、１４．５ｎｍとした。井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８）は、Ｉｎ０．２４Ｇａ０．７６Ｎ層とした。すなわち、Ｉｎ組成比ＣＩｎは、０．２４で一定である。井戸層ＷＬの厚さは、２．０ｎｍ、２．２５ｎｍ、２．５ｎｍ及び３ｎｍとした。これらの、井戸層ＷＬの厚さが異なる半導体発光素子を、それぞれ半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄとする。
【００７２】
同様に、第２参考例の半導体発光素子１１９は、８つの井戸層ＷＬを有するとする。そして、半導体発光素子１１９において、Ｉｎ組成比を変えて、発光波長が異なる３種類の半導体発光素子の発光強度をシミュレーションした。
【００７３】
このシミュレーションにおいては、以下の条件を用いた。障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ、第１障壁層ＢＬ１〜第８障壁層ＢＬ８）は、Ｉｎを含まないＧａＮ層であるとした。障壁層ＢＬの厚さは、１２．５ｎｍとした。井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８）のｎ形半導体層２０の側のＩｎ組成比ｘ１１ａは、０．２４とした。そして、井戸層ＷＬのｐ形半導体層５０の側のＩｎ組成比ｘ１１ｂは、０．２６または０．２８とした。そして、Ｉｎ組成比は、ｘ１１ａからｘ１１ｂに直線的に増加するとした。これらの、井戸層ＷＬのｐ形半導体層５０の側のＩｎ組成比ｘ１１ｂが異なる半導体発光素子を、それぞれ半導体発光素子１１９ａ（ｘ１１ｂ＝０．２６）及び１１９ｃ（ｘ１１ｂ＝０．２８）とする。また、ｎ形半導体層２０の側のＩｎ組成比ｘ１１ａを０．２６とし、井戸層ＷＬのｐ形半導体層５０の側のＩｎ組成比ｘ１１ｂを０．２４とし、Ｉｎ組成比が、ｘ１１ａからｘ１１ｂに直線的に低下するとした。これを半導体発光素子１１９ｂとする。
【００７４】
一方、本実施形態に係る半導体発光素子１１１は、８つの井戸層ＷＬを有するとする。そして、半導体発光素子１１１において、ｎ側中間層ＭＮ（第１ｎ側中間層ＭＮ１〜第８ｎ側中間層ＭＮ８）の厚さを変えて、発光波長が異なる３種類の半導体発光素子の発光強度をシミュレーションした。
【００７５】
このシミュレーションにおいては、以下の条件を用いた。障壁層ＢＬ（ｎ側障壁層ＢＬＮ、第１障壁層ＢＬ１〜第８障壁層ＢＬ８）は、Ｉｎを含まないＧａＮ層であるとした。井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ、ｐ側中間層ＭＰ及び障壁層ＢＬの合計の厚さは、１４．５ｎｍとした。井戸層ＷＬ（第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８）は、Ｉｎ０．２４Ｇａ０．７６Ｎ層とした。すなわち、Ｉｎ組成比ＣＩｎは、０．２４で一定である。井戸層ＷＬの厚さは、２ｎｍとした。
【００７６】
ｐ側中間層ＭＰ（第１ｐ側中間層ＭＰ１〜第８ｐ側中間層ＭＰ８）のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ３ｉａからｘ３ｉｂに低下する。Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化は、＋Ｚ方向に対して直線的であるとした。ｘ３ｉａは、０．０２とした。ｘ３ｉｂは、０とした。ｐ側中間層ＭＰの厚さ（ｔｐ１〜ｔｐ８）は、３ｎｍとした。
【００７７】
ｎ側中間層ＭＮ（第１ｎ側中間層ＭＮ１〜第８ｎ側中間層ＭＮ８）のＩｎ組成比ＣＩｎは、ｘ２ｉａからｘ２ｉｂに低下する。Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化は、＋Ｚ方向に対して直線的であるとした。ｘ２ｉａは、０．２４とした。ｘ２ｉｂは、０．０２とした。ｎ側中間層ＭＮの厚さ（ｔｎ１〜ｔｎ８）を、１．０ｎｍ、２．０ｎｍまたは３ｎｍとした。これらの、ｎ側中間層ＭＮの厚さ（ｔｎ１〜ｔｎ８）厚さが異なる３種類の半導体発光素子を、それぞれ半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃする。
【００７８】
なお、半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃのいずれかおいても、ｐ側中間層ＭＰのＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率は、ｎ側中間層ＭＮのＩｎ組成比の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低い。
【００７９】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
これらの図は、上記の半導体発光素子の発光特性のシミュレーション結果を示している。図７（ａ）は、半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃに対応する。図７（ｂ）は、半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄに対応する。図７（ｃ）は、半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃに対応する。横軸は、波長λ（ｎｍ）である。縦軸は、発光強度ＥＩ（任意目盛）である。
【００８０】
図７（ｂ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１８ａのピーク波長は約５２５ｎｍである。このときの発光強度ＥＩは比較的高い。第１参考例において、半導体発光素子１１８ｂ〜１１８ｄのようにピーク波長が長くなるにつれて、発光強度ＥＩは急激に低下する。ここで、半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄにおいて、それぞれのピーク波長のときの発光強度ＥＩの点を繋げると、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ８が得られる。
【００８１】
図７（ｃ）に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいても、ピーク波長が長くなるにつれて、発光強度ＥＩは低下する。半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいて、それぞれのピーク波長のときの発光強度ＥＩの点を繋げると、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ９が得られる。
【００８２】
図７（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃにおいても、ピーク波長が長くなるにつれて発光強度ＥＩは低下する。しかし、発光強度の低下の程度は小さい。半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃにおいて、それぞれのピーク波長のときの発光強度ＥＩの点を繋げると、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ１が得られる。
【００８３】
図８は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
この図は、図７（ａ）〜図７（ｃ）に例示した結果に基づいて作成されている。横軸は、波長λ（ｎｍ）である。縦軸は、上記の半導体発光素子のそれぞれにおけるピーク波長のときの発光強度ＥＩ（ピーク発光強度ＰＥＩ）である。同図には、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ１、ＰＥＦ８及びＰＥＦ９が描かれている。
【００８４】
図８に表したように、第１参考例のピーク発光強度曲線ＰＥＦ８は図中の最も下に位置する。第２参考例のピーク発光強度曲線ＰＥＦ９は、ピーク発光強度曲線ＰＥＦ８よりも上に位置する。実施形態に係るピーク発光強度曲線ＰＥＦ１は、図中で最も上に位置する。すなわち、実施形態におけるピーク発光強度ＰＥＩは最も高い。
【００８５】
すなわち、第１参考例の半導体発光素子１１８ａ〜１１８ｄにおいては、ピーク波長が長くなるにつれて、ピーク発光強度ＰＥＩは急激に低下する。第２参考例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｃにおいては、ピーク発光強度ＰＥＩは第１参考例よりも高くなる。しかし、ピーク発光強度ＰＥＩの向上の程度は小さい。
【００８６】
これに対し、実施形態に係る半導体発光素子１１１ａ〜１１１ｃにおいては、ピーク発光強度ＰＥＩは、第１参考例よりも高く、第２参考例よりもさらに高い。
このように、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰを設けることにより、高い発光強度が得られる。すなわち、実施形態によれば、高効率の半導体発光素子が提供される。この発光効率の向上の効果は、特に５００ｎｍ以上の波長において高い。さらに具体的には、図８に例示したように、例えば、発光のピーク波長が５３０ｎｍ以上において、発光効率の向上の効果が顕著に表れる。
【００８７】
発明者は、第１参考例において、波長が長くなると発光強度ＥＩが低下する原因を追求した。これによると、電圧を印加した時に、ピエゾ分極が発光特性に与える悪影響が大きくなると考えられる。すなわち、ピエゾ電界に起因した量子閉じ込めシュタルク効果によって発光強度が低下している。この現象の程度は、波長が長くなると非常に大きくなる。このため、例えば５００ｎｍ以上の長波長（緑、黄及び赤など）の発光においては、発光効率が指数関数的に低下する。
【００８８】
発明者は、電圧を印加した状態における量子井戸ポテンシャル分布に対する、量子閉じ込めシュタルク効果の影響を検討した。これにより、高い発光効率が得られる特殊な構成を見出した。この構成による発光効率の向上は、特に５００ｎｍ以上の長波長の場合に特に大きく発揮される。
すなわち、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、０．１８以上である。このときに、発光部４０から放出される光のピーク波長は５００ｎｍ以上となる。このときに、発光効率の向上の効果が大きくなる。
【００８９】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、半導体発光素子の特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。
これらの図は、発光層ＥＬにおけるバンドギャップエネルギー特性（価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢ）及び、波動関数（電子の波動関数ＷＦＥ及び正孔の波動関数ＷＦＨ）を例示している。図９（ａ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１１（１１１ａ〜１１１ｃ）及び１１０に対応する。図９（ｂ）は、第１参考例の半導体発光素子１１８（１１８ａ〜１１８ｄ）に対応する。図９（ｃ）は、第２参考例の半導体発光素子１１９（１１９ａ〜１１９ｃ）に対応する。これらの図においては、１つの井戸層ＷＬに関する部分を例示しているが、複数の井戸層ＷＬが設けられる場合も同様である。
【００９０】
図９（ｂ）に表したように、第１参考例において、電圧印加時においては、量子井戸内において、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとが、空間的に分離している。すなわち、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとの重なりの積分値は小さい。このため、発光再結合確率は低い。その結果、高効率な発光を得るのが難しい。この現象は、例えば、５００ｎｍ以上の長波長の場合に特に顕著になる。
【００９１】
図９（ｃ）に表したように、第２参考例においては、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとの距離が、第１参考例よりも近づく。これにより、図８に例示したように、第２参考例においては、第１参考例よりも高いピーク発光強度ＰＥＩが得られるものと考えられる。しかしながら、図９（ｃ）に例示したように、第２参考例における電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨの重なりは、十分に大きくない。
【００９２】
これに対し、図９（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子においては、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとが近接している。すなわち、電子の波動関数ＷＦＥと正孔の波動関数ＷＦＨとの重なりの積分値が大きい。このため、図８に例示したように、実施形態において非常に高いピーク発光強度ＰＥＩが得られたと考えられる。
【００９３】
この特性は、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰが、井戸層ＷＬとｐ側の障壁層ＢＬとの間に設けられている構成によって得られる。
【００９４】
図９（ａ）に例示したように、実施形態において、井戸層ＷＬにおける伝導帯ＣＢは、＋Ｚ方向に沿って低下している。そして、ｎ側中間層ＭＮにおける伝導帯ＣＢは、＋Ｚ方向に沿って上昇している。このように、実施形態においては、＋Ｚ方向に沿った伝導帯ＣＢの対称性が高い。
【００９５】
さらに、実施形態においては、＋Ｚ方向に沿った価電子帯ＶＢの対称性も高い。すなわち、井戸層ＷＬとｎ側の障壁層ＢＬ（例えばｎ側障壁層ＢＬＮ）との境界におけるエネルギーＰ１は、ｎ側中間層ＭＮとｐ側中間層ＭＰとの境界におけるエネルギーＰ２と実質的に同じである。そして、ｎ側の障壁層ＢＬ（例えばｎ側障壁層ＢＬＮ）におけるエネルギーの傾きＱ１は、ｐ側中間層ＭＰ（例えば第１ｐ側中間層ＭＰ１など）におけるエネルギーの傾きＱ２と実質的に同じである。
【００９６】
このように、実施形態においては、電圧が印加された状態において、ｎ側中間層ＭＮによって、伝導帯ＣＢに対称性の高い量子井戸構造が提供される。そして、ｐ側中間層ＭＰによって、価電子帯ＶＢに対称性の高い量子井戸構造が提供される。このような量子井戸構造により、電子と正孔の分布の空間的な重なりが拡大する。これにより、高効率な発光が得られる。
【００９７】
なお、発光部４０とｐ形半導体層５０との間に、Ｉｎ組成比ＣＩｎが変化する層を設ける構成が考えられる。この構成においては、例えば、キャリア注入効率が向上する可能性がある。しかし、この構成においては、発光部４０の内部の発光層ＥＬにおける、電子と正孔の分布の空間的な重なりを制御することは困難である。このため、この機構による発光効率の向上は困難である。
これに対し、本実施形態においては、電子と正孔の分布の空間的な重なりを制御し、量子閉じ込めシュタルク効果を抑制する。これにより、発光効率を向上する。
【００９８】
種々の検討により、本実施形態に係る構成において、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比の＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くすることで、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を特に向上させることが分かった。
【００９９】
例えば、第ｉ井戸層ＷＬｉと第ｉ障壁層ＢＬｉとの間に１つの中間層だけが設けられ、そのＩｎ組成比ＣＩｎの変化が一定のときは、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性が向上し難い。
【０１００】
これに対して、中間層として、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化率が高い部分を井戸層ＷＬ（第ｉ井戸層ＷＬｉ）に接して設け、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化率が低い部分をｐ側の障壁層ＢＬ（第ｉ障壁層ＢＬｉ）に接して設けることで、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性の向上の効果が大きくなる。
【０１０１】
なお、図９（ｃ）に表したように、井戸層ＷＬのＩｎ組成比ＣＩｎを傾斜させている第２参考例においては、例えば、井戸層ＷＬにおける価電子帯ＶＢのエネルギーを水平にすると、井戸層ＷＬの伝導帯ＣＢのエネルギーは大きく傾く。このように、第２参考例においては、量子井戸構造の対称性は低い。このため第２参考例による発光効率の向上には限界がある。
【０１０２】
実施形態においては、井戸層ＷＬとｐ側の障壁層ＢＬとの間にｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰを設ける新規な構成を有している。これにより発光効率を向上している。この構成は、井戸層ＷＬが１つのＳＱＷ構成に適用でき、発光効率が向上する。そして、この構成は、井戸層ＷＬが複数のＭＱＷ構成に適用できる。ＭＱＷ構成によれば、複数の井戸層ＷＬにおいて上記の効果が得られるため、さらに発光効率が高まる。
【０１０３】
本実施形態において、Ｉｎ組成比は、例えばエネルギー分散Ｘ線分光法（energy dispersive X-ray spectrometry：ＥＤＸ）などの手法によって測定できる。また、二次イオン質量分析法（Secondary ion-microprobe mass spectrometer：ＳＩＭＳ）や、Ｘ線回折装置を用いたomega-2theta scanによる構造解析手法も用いることができる。
【０１０４】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）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図である。
なお、これらの図は、１つの発光層ＥＬとして、第１発光層ＥＬ１を例示している。以下では第１発光層ＥＬ１に関して説明するが、第１発光層ＥＬ１の構成は、任意の発光層ＥＬに適用できる。
【０１０５】
図１０（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２１においては、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１よりも低い。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂよりも低い。このように、Ｉｎ組成比ＣＩｎは階段状で変化しても良い。
【０１０６】
このように、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層ＷＬ１に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１以下であり、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂ以下である。これにより、Ｉｎ組成比ＣＩｎが単調に低下する。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上し易くなる。
【０１０７】
また、第１ｐ側中間層ＭＮ１の第１障壁層ＢＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ｂは、第１障壁層ＢＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ４１以上である。これにより、Ｉｎ組成比ＣＩｎが単調に低下する。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上し易くなる。
【０１０８】
図１０（ｂ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２２においては、Ｉｎ組成比ＣＩｎが曲線的に変化している。この場合も、発光効率を向上できる。Ｉｎ組成比ＣＩｎが曲線的に変化する場合は、例えば、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化の程度が変化する部分を、ｎ側中間層ＭＮとｐ側中間層ＭＰとの境界と見なすことができる。
【０１０９】
実施形態において、２つの中間層におけるＩｎ組成比ＣＩｎの平均の変化率を制御するだけでなく、２つの中間層の中央部におけるＩｎ組成比ＣＩｎの変化率を制御しても良い。
【０１１０】
例えば、第１ｐ側中間層ＭＰ１の＋Ｚ方向に沿った中央部分におけるＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１の＋Ｚ方向に沿った中央部分におけるＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った変化率よりも低く設定できる。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上できる。
【０１１１】
図１０（ｃ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２３においては、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１井戸層ＷＬ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ａは、第１井戸層に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１よりも高い。ただし、ｘ２１ａとｘ１１との差は小さい。また、第１ｎ側中間層ＭＮ１においてＩｎ組成比ＣＩｎがｘ１１よりも高い部分の厚さは薄い。そして、第１ｐ側中間層ＭＰ１の第１ｎ側中間層ＭＮ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ３１ａは、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂよりも高い。ただし、ｘ３１ａとｘ２１ｂとの差は小さい。また、第１ｐ側中間層ＭＰ１においてＩｎ組成比ＣＩｎがｘ２１ｂよりも高い部分の厚さは薄い。
【０１１２】
第ｉｎ側中間層ＭＮｉ及び第ｉｐ側中間層ＭＰｉにおいて、Ｉｎ組成比ＣＩｎが局所的に高い部分や低い部分が設けられる場合においても、それらの部分が全体に対して十分に小さい場合は、これらの部分は実質的に無視できる。その場合には、全体のＩｎ組成比ＣＩｎは、第１井戸層ＷＬ１から第１障壁層ＢＬ１に向けて低下していると見なせる。そして、この場合も、第１ｐ側中間層ＭＰ１における変化率は、第１ｎ側中間層ＭＮ１における変化率よりも低い。このような構成においても、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性を向上でき、発光効率を向上できる。
【０１１３】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）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図である。
なお、これらの図は、１つの発光層ＥＬとして、第１発光層ＥＬ１を例示している。以下では第１発光層ＥＬ１に関して説明するが、第１発光層ＥＬ１の構成は、任意の発光層ＥＬに適用できる。
【０１１４】
図１１（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２４においては、第１ｎ側中間層ＭＮ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎが階段状で変化している。この場合も、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って低下している。
【０１１５】
図１１（ｂ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１２５においては、第１ｐ側中間層ＭＰ１におけるＩｎ組成比ＣＩｎが階段状で変化している。この場合も、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎは、＋Ｚ方向に沿って低下している。
半導体発光素子１２４及び１２５においても、高効率の半導体発光素子が得られる。
【０１１６】
なお、図１（ｂ）に表したように、複数の発光層ＥＬが設けられ、第２発光層ＥＬ２が、第１発光層ＥＬ１とｐ形半導体層５０との間に設けられるとする。このとき、第１障壁層ＢＬ１は、第２井戸層ＷＬ２に接することが望ましい。すなわち、例えば、第１障壁層ＢＬ１と第２井戸層ＷＬ２との間には、中間層を設けない。これにより、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性が向上し易い。
【０１１７】
例えば、第１井戸層ＷＬ１は、ｎ側障壁層ＢＬＮと接することが望ましい。
例えば、第（ｉ＋１）発光層ＥＬ（ｉ＋１）が、第ｉ発光層ＥＬｉとｐ形半導体層５０との間に設けられる場合、第ｉ障壁層ＢＬｉは、第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）に接することが望ましい。
【０１１８】
また、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂは、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１の１／４以下とすることが望ましい。例えば、第１井戸層ＷＬ１のIII族元素中におけるＩｎ組成比ｘ１１が０．１８以上である場合に、第１ｎ側中間層ＭＮ１の第１ｐ側中間層ＭＰ１に接する部分のＩｎ組成比ｘ２１ｂは、０．０４５以下にすることができる。さらに、このとき、Ｉｎ組成比ｘ２１ｂは、０．０３以下にすることができる。
【０１１９】
これにより、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を十分高くできる。これにより、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くし易くなる。これにより、発光効率を安定して向上できる。
【０１２０】
第１ｐ側中間層ＭＰ１の厚さ（第１ｐ側中間層厚ｔｐ１）は、第１ｎ側中間層ＭＮ１の厚さ（第１ｎ側中間層厚ｔｎ１）以上であることが望ましい。また、第１ｐ側中間層ＭＰ１の厚さ（第１ｐ側中間層厚ｔｐ１）は、第１井戸層ＷＬ１の厚さ（第１井戸層厚ｔｗ１）以上であることが望ましい。これにより、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くし易くなる。
【０１２１】
一方、第１ｎ側中間層ＭＮ１の厚さ（第１ｎ側中間層厚ｔｎ１）は、第１井戸層ＷＬ１の厚さ（第１井戸層厚ｔｗ１）と同程度とすることができる。より具体的には、第１ｎ側中間層厚ｔｎ１は、第１井戸層厚ｔｗ１の１／２以上、２倍以下とすることができる。これにより、第１ｐ側中間層ＭＰ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率を、第１ｎ側中間層ＭＮ１のＩｎ組成比ＣＩｎの＋Ｚ方向に沿った平均の変化率よりも低くし易くなる。
【０１２２】
第１井戸層ＷＬ１（第ｉ井戸層ＷＬｉ）の厚さは、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ未満とすることができる。より好ましくは、第１井戸層ＷＬ１（第ｉ井戸層ＷＬｉ）の厚さは、１ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。第ｉ井戸層ＷＬｉの厚さが１ｎｍより薄いと、５００ｎｍ以上の長波長の発光を得ることが難しい。第ｉ井戸層ＷＬｉの厚さが５ｎｍよりも厚いと結晶品質が劣化し易い。さらに、第ｉ井戸層ＷＬｉの厚さが５ｎｍよりも厚いと、電子と正孔の波動関数の空間的分離が大きくなり、発光強度が弱くなる傾向がある。
【０１２３】
第１ｎ側中間層ＭＮ１（第ｉｎ側中間層ＭＮｉ）の厚さは、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ未満とすることができる。
【０１２４】
一方、第１ｐ側中間層ＭＰ１（第ｉｐ側中間層ＭＰｉ）の厚さは、例えば３ｎｍ以上８ｎｍ以下とすることができる。
【０１２５】
例えば、第１障壁層ＢＬ１（第ｉ障壁層ＢＬｉ）は、実質的にｐ形不純物を含まない。例えば、第１障壁層ＢＬ１（第ｉ障壁層ＢＬｉ）におけるｐ形不純物の濃度は、ｐ形半導体層５０に含まれるｐ形不純物の濃度よりも低い。
【０１２６】
また、実施形態において、第１井戸層ＷＬ１（第ｉ井戸層ＷＬｉ）は、III族元素中におけるＩｎの濃度が＋Ｚ方向に沿って一定である部分を有することができる。このような井戸層ＷＬとｎ側中間層ＭＮとｐ側中間層ＭＰとを組み合わせることで、伝導帯ＣＢ及び価電子帯ＶＢの対称性が向上し易い。
【０１２７】
以下、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の例について説明する。
まず、基板１０を、例えば１１００℃のサセプタ温度でサーマルクリーニングを行う。
【０１２８】
次に、サセプタ温度を例えば５００℃に下げ、基板１０上に、バッファ層１１を形成する。バッファ層１１には、例えばＧａＮ層が用いられる。
【０１２９】
次に、サセプタ温度を例えば１１２０℃まで上げ、下地層２１を形成する。下地層２１には、例えばｎ形ＧａＮ層が用いられる。続いて、ｎ側コンタクト層２２を形成する。ｎ側コンタクト層には、例えばＳｉをドープしたＧａＮ層が用いられる。
キャリアガスをＨ２からＮ２に変え、サセプタ温度を８１０℃まで下げ、多層積層体２３を形成する。薄膜層ＳＢには、例えば、Ｉｎ０．０８Ｇａ０．０２Ｎ層が用いられる。薄膜層ＳＢの厚さは、例えば１ｎｍとされる。厚膜層ＳＡには、例えばＧａＮ層が用いられる。厚膜層ＳＡの厚さは、例えば３ｎｍとされる。これらの薄膜層ＳＢ及び厚膜層ＳＡを交互に形成する。薄膜層ＳＢの数は、例えば２０とされる、厚膜層ＳＡの数は、例えば２１とされる。薄膜層ＳＢにおけるＩｎ組成比ＣＩｎは、井戸層ＷＬにおけるＩｎ組成比ＣＩｎよりも低いことが望ましい。
【０１３０】
続いて、ｎ側障壁層ＢＬＮを形成する。ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さは、例えば３ｎｍ以上２０ｎｍ以下が望ましい。ｎ側障壁層ＢＬＮの形成の際のサセプタ温度は多層積層体２３の成長時に用いたサセプタ温度以上であることが好ましい。例えば、９５０℃とすることができる。ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さが厚いと、平坦性が良好になる。ただし、ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さが２０ｎｍよりも厚いときは、多層積層体２３が発光層ＥＬに与える影響が小さくなる。ｎ側障壁層ＢＬＮの厚さが３ｎｍより薄いと、表面の平坦性が十分でない。ｎ側障壁層ＢＬＮの形成において、サセプタ温度が１０００℃以下の場合は、キャリアガスにはＮ２を用いることが望ましい。ただし、キャリアガスには、Ｎ２とＨ２との混合ガスを用いても良い。このとき、Ｈ２ガスの流量がガスの総流量の半分以下であることが望ましい。
【０１３１】
その後、サセプタ温度を７００℃以上８００℃以下に下げる。そして、井戸層ＷＬを形成する。その後、ｎ側中間層ＭＮを形成する。ｎ側中間層ＭＮの形成は、例えば、井戸層ＷＬの形成と連続して行われる。ｎ側中間層ＭＮの形成においては、時間とともにＩｎ元素の原料ガスの流量を減らす。さらに、ｐ側中間層ＭＰを形成する。井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰの形成においては、Ｉｎ元素の原料ガスの流量が例えば自動制御される。これにより、Ｉｎ組成比ＣＩｎの変化率、及び、各層の厚さが適切に制御される。また、ｎ側中間層ＭＮ及びｐ側中間層ＭＰの形成においては、サセプタ温度や圧力を変化させることで、結晶表面へのＩｎ元素の取り込みを変化させることもできる。例えば、ｐ側中間層ＭＰの形成において、Ｉｎ元素の原料ガスの流量は一定としながら、サセプタ温度を障壁層ＢＬの成長温度まで昇温する。サセプタ温度が高いほどＩｎ元素の結晶表面への取り込みは減少するので、サセプタ温度が上昇する組成が傾斜されたｐ側中間層ＭＰが形成される。
引き続いて、障壁層ＢＬを形成する。障壁層ＢＬには、例えばＧａＮ層が用いられる。障壁層ＢＬの形成の温度は、井戸層ＷＬの形成の温度以上であることが望ましい。このとき、障壁層ＢＬの形成の温度と、井戸層ＷＬの形成の温度と、の差は、２００℃以下とされる。障壁層ＢＬの形成の温度が井戸層ＷＬの形成の温度と同じときは、障壁層ＢＬにピットが発生し易い。このため、障壁層ＢＬの形成の温度は、井戸層ＷＬの形成の温度よりも高いことが望ましい。障壁層ＢＬの形成の温度と井戸層ＷＬの形成の温度との差が２００℃よりも大きいと、井戸層ＷＬが劣化する場合がある。
また、昇温時に結晶の成長を中断することで、固層のＩｎを拡散させ、中間層を形成することもできる。
【０１３２】
上記の井戸層ＷＬ、ｎ側中間層ＭＮ、ｐ側中間層ＭＰ及び障壁層ＢＬの形成を繰り返す。これにより発光部４０が形成される。
【０１３３】
発光部４０の上に、第３ｐ形層５３、第２ｐ形層５２及び第１ｐ形層５１を順次形成する。これにより、ｐ形半導体層５０が形成される。
これにより、積層構造体１０ｓが形成される。
【０１３４】
この後、積層構造体１０ｓを加工し、ｎ側電極７０及びｐ側電極８０を形成する。これにより、実施形態に係る半導体発光素子が得られる。
【０１３５】
実施形態に係る半導体発光素子における各半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、及び、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＰＶＥ）法などを用いることができる。
【０１３６】
各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。
Ｇａの原料として、例えば、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）などを用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料として、例えば、ＳｉＨ４（モノシラン）などを用いることができる。Ｍｇの原料として、例えば、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）などを用いることができる。
【０１３７】
実施形態によれば、高効率の半導体発光素子が提供される。
【０１３８】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成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、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素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。
【０１３９】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１４０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、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、発光部、発光層、井戸層、障壁層、中間層及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、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。
【０１４１】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１４２】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１４３】
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。
【符号の説明】
【０１４４】
１０…基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…積層構造体、 １１…バッファ層、 ２０…ｎ形半導体層、 ２１…下地層、 ２２…ｎ側コンタクト層、 ２３…多層構造体、 ４０…発光部、 ５０…ｐ形半導体層、 ５１…第１ｐ形層、 ５２…第２ｐ形層、 ５３…第３ｐ形層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０、１１１、１１１ａ〜１１１ｃ、１１８、１１８ａ〜１１８ｄ、１１９、１１９ａ〜１１９ｃ、１２１〜１２５…半導体発光素子、 ＢＬ１〜ＢＬｉ…第１〜第ｉ障壁層、 ＢＬＮ…ｎ側障壁層、 ＣＢ…伝導帯、 ＣＩｎ…Ｉｎ組成比、 ＥＬ…発光強度、 ＥＬ…発光層、 ＥＬ１〜ＥＬｉ、ＥＬｎ…第１〜第ｉ発光層、第ｎ発光層、 ＭＮ…ｎ側中間層、 ＭＮ１〜ＭＮｉ…第１〜第ｉｎ側中間層、 ＭＰ…ｐ側中間層、 ＭＰ１〜ＭＰｉ…第１〜第ｉｐ側中間層、 Ｐ１、Ｐ２…エネルギー、 ＰＥＦ１、ＰＥＦ８、ＰＥＦ９…ピーク発光強度曲線、 ＰＥＩ…ピーク発光強度、 Ｑ１、Ｑ２…傾き、 ＳＡ…厚膜層、 ＳＡ１〜ＳＡｉ、ＳＡｍ、ＳＡ（ｍ＋１）、ＳＡｉ…第１〜第ｉ厚膜層、第ｍ厚膜層、第（ｍ＋１）厚膜層、 ＳＢ…薄膜層、 ＳＢ１〜ＳＢｉ、ＳＢｍ…第１〜第ｉ薄膜層、第ｍ薄膜層、 ＶＢ…価電子帯、 ＷＦＥ、ＷＦＨ…波動関数、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬｉ…第１〜第ｉ井戸層、 ｔｂ１、ｔｂ２…第１、第２障壁層厚、 ｔｎ１、ｔｎ２…第１、第２ｎ側中間層厚、 ｔｐ１、ｔｐ２…第１、第２ｐ側中間層厚、 ｔｗ１、ｔｗ２…第１、第２井戸層厚、 ｘ１１、ｘ１１ａ、ｘ１１ｂ、ｘ２１、ｘ２１ａ、ｘ２１ｂ、ｘ３１、ｘ３１ａ、ｘ３１ｂ、ｘ４１、ｘ１２、ｘ２２、ｘ２２ａ、ｘ２２ｂ、ｘ３２、ｘ３２ａ、ｘ３２ｂ、ｘ４２、ｘ４Ｎ…III族元素中におけるＩｎ組成比
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ形半導体層と、
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、第１発光層を含む発光部と、
を備え、
前記第１発光層は、
窒化物半導体を含む第１障壁層と、
前記ｎ形半導体層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層と、
前記第１井戸層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層と、
前記第１ｎ側中間層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層と、
を含み、
前記第１ｎ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下し、
前記第１ｐ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第１方向に沿って低下し、
前記第１ｐ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率は、前記第１ｎ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率よりも低いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光部は、前記第１方向に沿って前記第１発光層と積層された第２発光層をさらに含み、
前記第２発光層は、
窒化物半導体を含む第２障壁層と、
前記ｎ形半導体層と前記第２障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第２井戸層と、
前記第２井戸層と前記第２障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｎ側中間層と、
前記第２ｎ側中間層と前記第２障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｐ側中間層と、
を含み、
前記第２ｎ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下し、
前記第２ｐ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第１方向に沿って低下し、
前記第２ｐ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率は、前記第２ｎ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率よりも低いことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２発光層は、前記第１発光層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、
前記第１障壁層は、前記第２井戸層に接することを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１ｎ側中間層の前記第１井戸層に接する部分の前記Ｉｎ組成比は、前記第１井戸層に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比以下であり、
前記第１ｐ側中間層の前記第１ｎ側中間層に接する部分の前記Ｉｎ組成比は、前記第１ｎ側中間層の前記第１ｐ側中間層に接する部分の前記Ｉｎ組成比以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１井戸層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、０．１８以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１ｎ側中間層の前記第１ｐ側中間層に接する部分の前記Ｉｎ組成比は、前記第１井戸層のIII族元素中におけるＩｎ組成比の１／４以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１】
ｎ形半導体層と、
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、第１発光層を含む発光部と、
を備え、
前記第１発光層は、
窒化物半導体を含む第１障壁層と、
前記ｎ形半導体層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１井戸層と、
前記第１井戸層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｎ側中間層と、
前記第１ｎ側中間層と前記第１障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第１ｐ側中間層と、
を含み、
前記第１ｎ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下し、
前記第１ｐ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第１方向に沿って低下し、
前記第１ｐ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率は、前記第１ｎ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率よりも低いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光部は、前記第１方向に沿って前記第１発光層と積層された第２発光層をさらに含み、
前記第２発光層は、
窒化物半導体を含む第２障壁層と、
前記ｎ形半導体層と前記第２障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第２井戸層と、
前記第２井戸層と前記第２障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｎ側中間層と、
前記第２ｎ側中間層と前記第２障壁層との間に設けられ窒化物半導体を含む第２ｐ側中間層と、
を含み、
前記第２ｎ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう第１方向に沿って低下し、
前記第２ｐ側中間層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、前記第１方向に沿って低下し、
前記第２ｐ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率は、前記第２ｎ側中間層の前記Ｉｎ組成比の前記第１方向に沿った平均の変化率よりも低いことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２発光層は、前記第１発光層と前記ｐ形半導体層との間に設けられ、
前記第１障壁層は、前記第２井戸層に接することを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１ｎ側中間層の前記第１井戸層に接する部分の前記Ｉｎ組成比は、前記第１井戸層に含まれるIII族元素中におけるＩｎ組成比以下であり、
前記第１ｐ側中間層の前記第１ｎ側中間層に接する部分の前記Ｉｎ組成比は、前記第１ｎ側中間層の前記第１ｐ側中間層に接する部分の前記Ｉｎ組成比以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１井戸層のIII族元素中におけるＩｎ組成比は、０．１８以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１ｎ側中間層の前記第１ｐ側中間層に接する部分の前記Ｉｎ組成比は、前記第１井戸層のIII族元素中におけるＩｎ組成比の１／４以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１１９５６０（Ｐ２０１２−１１９５６０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６９１６９（Ｐ２０１０−２６９１６９）
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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